Plátaí Fuar Leachtacha do Mhodúil IGBT

1. Cad is modúl igbt ann?

I bhfeithiclí leictreacha, i nginiúint cumhachta fuinnimh in-athnuaite, in iompar iarnróid, agus in uathoibriú tionsclaíoch, tá modúil igbt ag teacht chun cinn i dtreo dlús cumhachta níos airde, lorg coise níos lú, agus teochtaí acomhal níos airde. Mar sin féin, de réir mar a mhéadaíonn dlús cumhachta sliseanna, crapadh an spás fuaraithe atá ar fáil go tapa. Léiríonn staidéir go mbíonn níos mó ná 50% de theipeanna ciorcad comhtháite mar thoradh ar shaincheisteanna teirmeacha; i gcás leictreonaice cumhachta, baineann thart ar 55% de theipeanna igbt le teocht. Tá comhéifeacht aistrithe teasa comhiompair teoranta (thart ar 37 w/cm² ar a fheabhas) agus toirt mhór ag fuarú aeir traidisiúnta, rud a fhágann nach bhfuil sé leordhóthanach do mhodúil chumhachta an chéad ghlúin eile. Tá teicneolaíocht pláta fuar leachtach tagtha chun cinn mar réiteach lárnach do bhainistíocht theirmeach sliseanna ardchumhachta.

2. dúshláin theirmeacha igbtanna agus teorainneacha fuaraithe traidisiúnta

Gineann modúl igbt teas suntasach. I gcás inbhéirteoir 100 kw le héifeachtúlacht 98%, ní mór don chóras bainistíochta teirmeach thart ar 2 kw teasa a bhaint. Ina theannta sin, níl an dáileadh teasa aonfhoirmeach; is féidir le spotaí te áitiúla ar dhromchla na sliseanna a bheith i bhfad níos teo ná an teocht mheánach, agus cuireann na spotaí te seo teorainn le feidhmíocht dhinimiciúil agus le saolré seirbhíse.

Tá dlúthbhaint ag teocht le teip IGBT. Léirigh staidéar staitistiúil ar theipeanna tuirbín gaoithe i 23 tír idir 2003 agus 2017 gurbh ionann teip modúl IGBT agus 22% den am neamhghníomhach tiontaire gan phleanáil - ceann de na comhpháirteanna is mó a dteipeann orthu i gcórais gaoithe. Is cúis le luasghéarú/moilliú minic i bhfeithiclí timthriall cumhachta tromchúiseach agus luaineachtaí teochta, rud a fhágann tuirse sreinge nasctha, dí-lannú sádrála, agus teipeanna tuirse teirmeach eile. Is féidir le teitheadh teirmeach cailliúint cumhachta a chur faoi deara i bhfeithiclí leictreacha, rud is guais thromchúiseach sábháilteachta é.

Ó thaobh friotaíochta teirmeach de, is fadhb friotaíochta teirmeach sraithe ilchiseal í diomailt teasa IGBT. Is ionann friotaíocht theirmeach an chomhéadain agus níos mó ná 60% den iomlán, rud a fhágann gurb í an phríomh-bhaic í. Laistigh den fhriotaíocht acomhal-go-cás, is é an tsubstráit cheirmeach DBC (copar nasctha go díreach) an príomh-rannpháirtí (os cionn 75%). Tá trí theorainn mhóra ag baint le fuarú aeir traidisiúnta: comhéifeacht íseal aistrithe teasa, droch-chumas chun spotaí te áitiúla a dhíchur, agus toirt mhór córais, rud a chuireann salach ar mhiondealú an chórais.

3. conas plátaí fuara leachtacha obair agus a rangú

Úsáideann pláta fuar leachtach (ar a dtugtar pláta fuaraithe, pláta fuaraithe leachtach, nó pláta fuaraithe uisce freisin) comhiompar leachtach éigeantach chun teas a bhaint. Tá an prionsabal oibre simplí: aistríonn teas ón modúl igbt trí chomhéadan teirmeach go bonn an phláta fuar, ansin iompraítear leis an bhfuaraitheoir atá ag sreabhadh trí chainéil inmheánacha é; scaipeann an fuaraitheoir téite chuig malartóir teasa, fuaraíonn sé síos, agus filleann sé.

Bunaithe ar phróisis déantúsaíochta agus ar fhoirmeacha struchtúracha, úsáidtear ceithre chineál pláta fuar igbt príomhshrutha san innealtóireacht inniu.

3.1 plátaí fuara leachtacha traidisiúnta

I measc na ndearaí traidisiúnta tá cineálacha druileáilte, cóimeáilte, táthaithe, agus feadánacha. Tá próiseáil níos simplí, costas níos ísle ag baint leo seo, agus tá siad oiriúnach do mhodúil igbt dlús cumhachta íseal go meánach. Ina measc, leabaíonn an pláta fuar feadánach (nó an pláta fuar leachtach feadánach) feadáin chopair nó cruach dhosmálta i gclaiseanna bonnphláta alúmanaim, atá socraithe le táthú nó eapocsa. Cuireann sé feidhmíocht theirmeach agus saolré seirbhíse níos fearr ar fáil ná plátaí druileáilte bunúsacha.

3.2 plátaí fuar leachtacha feadáin

Úsáideann plátaí fuara leachtacha feadánacha (ar a dtugtar pláta fuar uisce-fhuaraithe nó pláta fuar feadánach freisin) feadáin chopair nó cruach dhosmálta mar chainéil fuaraithe, atá leabaithe i mbonnphláta alúmanaim agus socraithe le greamachán teirmeach nó le tádáil. I measc a mbuntáistí tá déantúsaíocht shimplí, costas íseal, agus leagan amach feadán solúbtha (m.sh., cruth serpentine nó U) ar féidir leo meaitseáil le dáileadh teasa an IGBT. Tá siad oiriúnach do thiomántáin thionsclaíocha dlús-chumhachta meánach, íogair ó thaobh costais de agus inbhéirtéirí gréine. Is é 6–12 mm trastomhas tipiciúil an fheadáin, agus is gnách go mbíonn an brú oibriúcháin faoi bhun 0.5 mpa.

3.3 plátaí fuar leachtacha fsw

Úsáideann plátaí fuara leachtacha FSW (táthú corraigh frithchuimilte) biorán corraigh rothlach chun teas frithchuimilte a ghiniúint, ag plaisteachú an ábhair agus ag cruthú táthú soladstaide idir an clúdach agus an pláta bonn groove. Ní tháirgeann an próiseas seo aon phóiriúlacht, aon scoilteanna, agus aon mhiotal líonta, rud a fhágann neart táthú ard, séalaithe den scoth, agus aon dífhoirmiú cainéil sreafa. Tá plátaí fuara FSW oiriúnach d'inbhéirteoirí tarraingthe feithiclí leictreacha agus do thiontairí iompair iarnróid ina bhfuil iontaofacht fhadtéarmach ríthábhachtach. Is é 4–10 mm leithead tipiciúil an chainéil, agus is féidir leis an bhfriotaíocht brú 1.5–2.0 mpa a bhaint amach.

3.4 plátaí fuar leachta easbhrúite

Déantar plátaí fuara leachta easbhrúite (nó pláta fuar alúmanaim, pláta fuaraithe alúmanaim) a fhoirmiú trí easbhrú alúmanaim ag baint úsáide as bás tiomnaithe chun bealaí sreafa il-chomhthreomhara a tháirgeadh in aon chéim amháin, ansin gearrtar iad, séalaítear iad ag an deireadh, agus meaisínítear iad. Is iad na príomhbhuntáistí ná éifeachtúlacht táirgthe ard agus costas íseal aonaid, le toisí comhsheasmhacha bealaí, atá oiriúnach do tháirgeadh caighdeánaithe ardtoirte. Mar sin féin, is gnách go mbíonn na bealaí díreach tríd, rud a chuireann teorainn le hoptamú eití. Úsáidtear iad seo in inverters ilchuspóireacha agus i modúil luchtaithe EV ina bhfuil dlús cumhachta measartha. Is é 2–5 mm an trastomhas hiodrálach tipiciúil.

3.5 plátaí fuara leachtacha bráislithe

Déantar plátaí fuara leachtacha braisithe (nó pláta fuar braisithe) trí bhrásáil folúis nó atmaisféir rialaithe ar bhunphláta cainéil sreafa stampáilte le pláta clúdaigh. Ligeann sé seo struchtúir eite inmheánacha casta ar nós eití bioráin, eití claonta, agus turbálaithe. Cuireann brásáil saoirse dearaidh an-ard ar fáil, rud a chuireann ar chumas aistriú teasa feabhsaithe i méid dlúth, le dea-shéalú agus strus iarmharach íseal. Is iad plátaí fuara leachtacha braisithe an chéad rogha do mhodúil igbt agus sic ard-dlúis chumhachta, a úsáidtear go forleathan i bpríomhthiomántáin ev préimhe, tiontairí gaoithe, agus soláthairtí cumhachta tionsclaíocha ard-deireadh. Is féidir le méideanna gnéithe cainéil a bheith chomh beag le 1-3 mm; le heití bioráin, tá friotaíocht theirmeach i bhfad níos ísle ná cineálacha easbhrúite nó feadán. Is é brásáil folúis an próiseas is iontaofa.

3.6 comparáid idir friotaíocht theirmeach agus struchtúr i measc ailtireachtaí pláta fuara éagsúla

Chun cabhrú le roghnú innealtóireachta, déanann tábla 1 comparáid idir príomhpharaiméadair theirmeacha agus struchtúracha na gceithre phláta fuara IGBT (lena n-áirítear feadáin thraidisiúnta mar bhunlíne).

Tábla 1: friotaíocht theirmeach agus comparáid struchtúrach ailtireachtaí pláta fuar leachta éagsúla

4. uasmhéadú feidhmíochta: dearadh cainéal sreafa agus micrea-eite

Braitheann feidhmíocht fuaraithe córais fuaraithe pláta fuar go mór ar dhearadh an chainéil sreafa inmheánaigh agus ar dhearadh na n-eite. Díríonn an taighde reatha ar na réimsí seo a leanas.

Struchtúr na n-eití: rinneadh comparáid idir eití díreacha, bioráin-eití céimnithe, agus eití claonta i staidéar ar fhuarú leachtach do thrí mhodúl igbt i dtiomántán mótair tionsclaíoch, rud a dheimhnigh go bhfeabhsaíonn eití casta comhiompar. Ina theannta sin, bhain pláta fuaraithe leachtach sreafa srathaithe micreascála eite claonta méadú 3× amach ar chomhéifeacht aistrithe teasa, laghdú 1.4°C ar theocht bhuaic na sceallóga, feabhas 37.8% ar aonfhoirmeacht teochta, agus laghdú >15% ar fhriotaíocht sreafa i gcomparáid le pláta fuar micreachainéil dronuilleogach faoin ráta sreafa céanna, rud a chuir ar chumas fuarú iontaofa slise 800w.

Uasmhéadú toipeolaíochta: léirigh staidéar a d'úsáid uasmhéadú toipeolaíochta déchuspóireach (uasmhéid aistrithe teasa, íosfhriotaíocht sreafa) le haghaidh pláta fuar IGBT, i gcomparáid le pláta fuar díreach-chainéil, gur bhain an pláta fuar atá optamaithe ó thaobh toipeolaíochta amach titim brú 26.3% níos ísle, friotaíocht theirmeach 64.7% níos ísle, agus comhéifeacht aistrithe teasa 16.3% níos airde.

Aonfhoirmeacht teochta: mhol foireann taighde in Ollscoil Eolaíochta Faisnéise agus Teicneolaíochta Nanjing pláta fuar leachtach nuálach le bealaí serpentine, eití feabhsaithe, agus turbálaithe céimnithe. Léirigh torthaí turgnamhacha gur laghdaigh méadú ar ráta sreafa fuaraithe buaictheocht an fheiste faoi thart ar 22 k, le feidhmíocht theirmeach chobhsaí thar raon sreafa áirithe.

comhbhabhtáil idir cumhacht fuaraithe agus pumpála: i gcóras fuaraithe pláta fuar, feabhsaíonn méadú ar an ráta sreafa aistriú teasa ach méadaíonn sé tomhaltas cumhachta caidéil go neamhlíneach freisin. i bhfeithiclí leictreacha, d’fhéadfadh laghdú breise brú 10 kpa costas roinnt go deicheanna vata de chumhacht caidéil a bheith ann, agus ní mór é sin a chur san áireamh i mbuiséad cumhachta an chórais.

5. éabhlóid ailtireachta: ó fhuarú indíreach go pláta fuar leachtach leabaithe / comhtháite dbc

In ailtireachtaí fuaraithe traidisiúnta, bíonn cruach ilchiseal “sliseanna – dbc – pláta bonn (cu nó alsic) – pláta fuar” ag an modúl igbt, agus friotaíocht theirmeach á cur leis ag gach ciseal. Mar a luadh, sáraíonn friotaíocht theirmeach an chomhéadain 60% den iomlán.

Chun seo a shárú, tá ailtireacht réabhlóideach – pláta fuar leachtach leabaithe nó comhtháite le dbc – tagtha chun cinn. Is é an smaoineamh an tsubstráit dbc a chomhtháthú go díreach isteach sa phláta fuar, ag baint úsáide as próisis ardteochta chun copar agus ceirmeach (al₂o₃ nó aln) a nascadh i struchtúr monailiteach. Cuirtear bealaí fuaraithe go díreach faoin sliseanna, scartha ag an dbc amháin, rud a ghiorraíonn an cosán seoltachta teasa go mór.

trí phríomhbhuntáiste: (1) cuirtear deireadh leis an mbonnphláta agus leis an tim seachtrach, rud a laghdaíonn an fhriotaíocht theirmeach iomlán go mór; (2) baintear feidhmíocht iseateirmeach den scoth amach le taifeach cainéil síos go 0.3 mm, in éineacht le copar ard-sheoltachta; (3) tacaíonn sé le leagan amach dlúth ard-dlúis chumhachta agus le gléasadh comhpháirteanna déthaobhach. Taispeántar príomhpharaiméadair ábhair don scéim chomhtháite seo i dtábla 2.

Tábla 2: paraiméadair ábhartha thábhachtacha le haghaidh pláta fuar leachtach comhtháite dbc (foinse: fuarú leictreonaice, 2025)

Tá an treocht chomhtháthaithe seo ailínithe le fás margaidh na modúl igbt fuaraithe go díreach.

6. roghnú ábhar agus teicneolaíocht fuaraithe

Bíonn cothromaíocht idir seoltacht theirmeach, inmheaisínitheacht, agus costas i gceist le roghnú ábhar pláta fuar. Is é an cóimhiotal alúmanaim 6063 an rogha is coitianta, le seoltacht theirmeach thart ar 180–230 w/(m·k). Cuireann copar ~401 w/(m·k) ar fáil ach tá dlús trí huaire níos airde ná dlús alúmanaim, agus tá an costas i bhfad níos airde, agus ní úsáidtear é ach in iarratais ardleibhéil a bhfuil riachtanais fhuaraithe diana acu.

Is iompróir ríthábhachtach aistrithe teasa é an fuaraitheoir. Rinne staidéar a foilsíodh in Innealtóireacht Theirmeach Fheidhmeach comparáid idir uisce dí-ianaithe, uisce íonaithe, tuaslagán 20% eitiléine glycol-uisce, agus HFE7100. Ag re = 1400, bhí critéar meastóireachta feidhmíochta foriomlán (pec) uisce dí-ianaithe 9.3%, 24.5%, agus 163.9% níos airde ná uisce íonaithe, 20% eitiléine glycol, agus HFE7100, faoi seach. Aithníodh re = 1400 (treoluas sreafa ~0.5–0.6 m/s) mar an raon oibriúcháin is fearr le haghaidh titim brú íseal. I gcórais phraiticiúla, úsáidtear meascán 50% eitiléine glycol-uisce go forleathan, rud a thairgeann cosaint reo agus seoltacht theirmeach mhaith.

7. próisis déantúsaíochta agus tástáil iontaofachta

Bíonn tionchar díreach ag táthú/séalú pláta fuar leachta ar iontaofacht fhadtéarmach. Maidir leis na ceithre phríomhchineál: úsáideann feadán leabú feadán + táthú nó brú; úsáideann FSW táthú corraigh frithchuimilte; úsáideann easbhrúite easbhrú + séalú deiridh; úsáideann táthú folúis nó atmaisféir. Is iad táthú folúis agus FSW na próisis phríomhshrutha le haghaidh plátaí fuara ard-iontaofachta.

I measc na lochtanna coitianta táthúcháin ...

Is fachtóir tábhachtach eile í an chothromaíocht. De réir theoiric teagmhála hertz, bíonn buaicphointí agus gleannta micreascópacha fiú ag dromchlaí macrascópacha cothroma; tá an limistéar teagmhála iarbhír i bhfad níos lú ná an limistéar ainmniúil. Is féidir le dialltaí cothromaíochta ar leibhéal micrón a bheith ina gcúis le méadú suntasach ar fhriotaíocht theirmeach an chomhéadain. Áirítear ar chritéir ghlactha tipiciúla do chórais fuaraithe pláta fuar:

• teannas sceite: tástáil sceite héiliam, sceitheadh ≤ 1 × 10⁻⁶ pa·m³/s nó ≤ 0.05 ml/nóim @ 0.5–2.0 mpa

• friotaíocht brú: tástáil pléasctha hiodrálach ≥ 3 × brú oibre (de ghnáth ≥ 3.0 mpa)

• cothromaíocht: ≤ 0.05 mm in aghaidh gach 100 mm (foriomlán ≤ 0.1 mm)

• glantacht: cáithníní ≤ 10 mg/m²

8. luach plátaí fuara leachtacha i réimsí iarratais igbt

Feithiclí leictreacha: láimhseálann an pláta fuaraithe leachta teas ón inbhéirteoir tarraingthe, rud a théann i bhfeidhm go díreach ar aschur cumhachta an mhótair. Tá dlús cumhachta 2-3 oiread níos mó ag modúil sic ná igbtanna traidisiúnta; cuireann plátaí fuara leachtacha feadánacha, fsw, nó bráislithe deireadh go héifeachtach le spotaí te áitiúla, rud a fheabhsaíonn raon agus iontaofacht ev.

Inbhéirteoirí gaoithe agus gréine: ritheann modúil igbt faoi ualach ard fadtéarmach; ní mór saolré fada agus ísealchothabhála a bheith ag an gcóras fuaraithe. Soláthraíonn plátaí fuara teochtaí acomhal cobhsaí níos ísle agus luascáin teochta níos lú, rud a fheabhsaíonn iontaofacht go suntasach faoi dhálaí crua.

iompar iarnróid: méadaíonn leictriú an t-éileamh fuaraithe; soláthraíonn fuarú leachtach gníomhach (tiomáinte ag caidéal) rialú teochta níos cruinne ná comhiompar nádúrtha nó fuarú aeir éigeantach, rud a fheabhsaíonn iontaofacht i dtimpeallachtaí foircneacha.

(Úsáidtear plátaí fuaraithe comhchosúla le haghaidh leictreonaice i pláta fuaraithe LAP le haghaidh próiseálaithe ardfheidhmíochta, pláta fuar leachta ceallraí le haghaidh pacáistí ceallraí EV, agus dearaí pláta fuar inslithe le haghaidh aonrú ardvoltais.)

9. dearcadh an mhargaidh agus treochtaí teicneolaíochta

De réir qyresearch, shroich margadh domhanda foshraitheanna heatsink igbt 720 milliún in 2024 agus meastar go sroichfidh sé 1.165 billiún faoi 2031, le hardú de 7.7%. Laistigh den fhás seo, is iad plátaí fuara leachtacha - go háirithe cineálacha braisáilte agus FSW - na príomhthiománaithe. Tá an hardú 17.9% do mhodúil igbt fuaraithe go díreach le leacht i bhfad níos airde ná an 7.7% foriomlán do foshraitheanna igbt, rud a léiríonn treá tapa na teicneolaíochta fuaraithe leachta.

Coincheap chun cinn, léirigh an pláta fuar leachtach imbhualadh scaird il-shoic (mjilcp) le haghaidh tdp 1000w, a cuireadh i láthair ag comhdháil IEEE, friotaíocht theirmeach 14.3% níos ísle agus cumhacht pumpála 19.3% níos ísle i gcomparáid le pláta fuar fuaraithe cainéal muilte traidisiúnta. Chun friotaíocht theirmeach 0.0236°c/w a bhaint amach, bhí 48% níos lú cumhachta caidéil ag teastáil ó mjilcp.

Díríonn éabhlóid an todhchaí ar thrí threo:

1. comhtháthú domhain: ó fhuarú indíreach go comhtháthú dbc leabaithe, rud a laghdaíonn friotaíocht theirmeach tuilleadh.

2. dearadh cliste: dearadh le cúnamh intleachta saorga, optamú toipeolaíochta, agus monarú breiseán le haghaidh bealaí sreafa saincheaptha (pláta fuar leachtach saincheaptha, plátaí fuara saincheaptha).

3. oiriúnú ilchásanna: réitigh saincheaptha d’ardáin ardvoltais 800v, airde ard, etc., lena n-áirítear b’fhéidir pláta fuar nítrigine leachta le haghaidh riachtanais fuaraithe foircneacha.

De réir mar a théann an déantúsaíocht áitiúil chun cinn agus de réir mar a dhoimhníonn an réabhlóid fuinnimh nua, forbróidh plátaí fuara leachtacha ó chomhpháirteanna cúnta go cumasóirí lárnacha dlús cumhachta agus iontaofachta in IGBTanna agus leictreonaic chumhachta níos leithne.