في إلكترونيات الطاقة، يُعدّ الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGBT) من أكثر أشباه الموصلات استخدامًا. تُصنع ترانزستورات IGBT الحديثة من كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN) لتحسين الإنتاج والكفاءة الحرارية.
على الرغم من أن IGBTs مفيدة في توفير الطاقة والتحويل، إلا أنها قد تنتج أيضًا قدرًا كبيرًا من الحرارة عند تشغيلها بترددات عالية.
يُعد تبريد أجهزة IGBT مصدر قلق كبير لمهندسي الطاقة الكهربائية.
تطوير IGBTs
مفتاح IGBT هو مفتاح أقوى يعمل بالتحكم في جهد جزء شبه موصل لتوليد دائرة كهربائية. طُرح لأول مرة في ثمانينيات القرن الماضي، وتم تطويره بناءً على اختراع ترانزستور تأثير المجال شبه الموصل بأكسيد المعدن (MOSFET).
يُعدّ ترانزستور IGBT غير مألوف لأنه يلغي وظيفة الثايرستور، مما ينتج عنه جهاز أكثر كفاءة. تُصنع جميع العاكسات، ومحركات الدفع، وأنظمة الطاقة لتوربينات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المتقدمة باستخدام ترانزستور IGBT.
الإدارة الحرارية لـ IGBTs
المقاومة الحرارية IGBT
رقائق
المقاومة الحرارية IGBT
تدفق
المقاومة الحرارية IGBT
تيم
يتطلب إنتاج الطاقة الكهربائية وتحويلها ونقلها وتوزيعها استخدام معدات إلكترونيات الطاقة. وتُستخدم تقنيات الطاقة لزيادة كفاءة الطاقة وموثوقيتها والتحكم بها. ويعتقد بعض الخبراء أن الطاقة الكهربائية بأكملها ستنتقل عبر جهاز أشباه موصلات الطاقة في مرحلة ما في المستقبل.
ترانزستورات IGBT هي أجهزة عالية الجهد والطاقة، تزداد شعبيتها. ترانزستور IGBT (ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة) هو مفتاح ذو حالة صلبة يُمكّن من تدفق الكهرباء عند تشغيله وإيقافه.
تعمل تقنية IGBT عن طريق توصيل جهد كهربائي إلى مكون أشباه الموصلات، مما يؤدي إلى تغيير خصائصه والسماح له بحجب أو إنتاج مسار كهربائي.
بالنسبة لتطبيقات التردد المتوسط (5-50 كيلو هرتز) والجهد العالي (200-2,000 فولت)، يجمع IGBT بين مدخل بوابة معزولة ومخرج ثنائي القطب لإنتاج مفتاح طاقة يمكن الاعتماد عليه.
غالبًا ما تتضمن وحدات IGBT الكبيرة أجهزة متعددة متصلة بالتوازي ويمكنها التعامل مع مئات الأمبير من التيار بجهد حجب يصل إلى 6,500 فولت. ويمكن التحكم في مئات الكيلووات من الطاقة بواسطة وحدات IGBT هذه.
تُستخدم IGBTs في مجموعة واسعة من التطبيقات عالية الطاقة، بما في ذلك المركبات الكهربائية والهجينة، وشواحن البطاريات، والحافلات الكهربائية، ومحركات الأجهزة، والمفاتيح وإمدادات الطاقة، ومحولات التحكم في الجهد، وضوابط محرك المحرك، ومحولات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والإدارة الحرارية، وأجهزة التشخيص الطبي.
حلول تبريد IGBT
يمكن دعم التحكم الحراري في IGBT بمجموعة متنوعة من حلول التبريد. ولكل خيار مزاياه الخاصة.
تبريد الهواء
بالنسبة للأنظمة منخفضة الطاقة، تُعدّ مشتتات الحرارة المبردة بالهواء خيارًا سريعًا واقتصاديًا. ولامتصاص الحرارة والارتفاعات المفاجئة في درجات الحرارة، تستخدم بعض التصاميم الصناعية مشتت حرارة ذا كتلة وسعة حرارية كبيرتين.
تواجه مشعات الحرارة المبردة بالهواء صعوبة أكبر في التعامل مع درجات الحرارة العالية والارتفاعات الحرارية في المعدات الإلكترونية عالية الطاقة بسبب قدرة الهواء على حمل الحرارة ودرجات الحرارة الصوتية التشغيلية العالية الطبيعية ونتيجة لذلك، فإن تبريد الهواء يكون اقتصاديًا فقط للمعدات منخفضة ومتوسطة الطاقة.
مباشرة التبريد السائل
في IGBTs، يعمل التبريد المباشر بالسائل على تعزيز خصائص نقل الحرارة وخفض المقاومة الحرارية، مما يؤدي إلى خفض درجات حرارة الوصلات وتعزيز قدرات الطاقة.
يُمكّن التبريد السائل المصممين أيضًا من إنتاج طاقة أعلى لكل وحدة تخزين، مما يُحسّن الأداء والكفاءة. وقد تم سابقًا تحقيق التبريد السائل المباشر عن طريق تشكيل ألواح باردة من أنابيب نحاسية كبيرة على كتل من الألومنيوم باستخدام إيبوكسي موصل للحرارة.
تتضمن تصميمات أخرى أنابيب نحاسية مُصنّعة آليًا لزيادة الكفاءة. يُزرع مشتت حراري ذو زعانف دبوسية في ركيزة DBC، والتي تُثبّت لاحقًا بخزان سائل، مما يسمح بتدوير سائل التبريد فوق الزعانف لتحقيق تأثير تبريد.
تبريد سائل بالقنوات الدقيقة
يحقق مفهوم التبريد السائل المبتكر باستخدام القنوات الدقيقة أدنى مقاومة حرارية ممكنة للأجهزة عالية الطاقة.
عند مقارنتها بأنظمة التبريد السائل السابقة، فإن التبريد السائل المتكامل بالقنوات الدقيقة قد يقلل من المقاومة الحرارية لـ IGBT بمقدار 10x-100x عن طريق تقليل الكتلة الحرارية للسائل المبرد في قنوات التدفق الصغيرة.
يُحسّن هذا بشكل كبير معدلات نقل الحرارة ودرجات حرارة التشغيل لتصاميم أنظمة IGBT. بفضل تحسين الفيزياء الحرارية للقنوات الدقيقة، تُحسّن ألواح Kenfatech الباردة للقنوات الدقيقة الأداء.
يمكن تعديل تصميمات شبكات القنوات الدقيقة الخاصة بنا لتتناسب مع خصائص وحدات IGBT ويمكنها توفير إلكترونيات الطاقة مع تحكم حراري لا مثيل له ومتسق.
تطبيق IGBT في إلكترونيات الطاقة
اكتسبت ترانزستورات IGBT شعبية واسعة في تطبيقات إلكترونيات الطاقة خلال العقود القليلة الماضية. فهي تُزوّد مجموعة متنوعة من الأجهزة والأنظمة بالطاقة.
العاكسون
بفضل تحكمها الممتاز في البوابة وقدرتها على حمل تيارات أكبر، تُعدّ وحدات IGBT مثاليةً للمحولات. تُمكّن خيارات التبريد المتقدمة في وحدات IGBT من انتقال أكثر نجاحًا من التيار المستمر إلى التيار المتردد.
المحولات
تُغذى محولات الجهد بواسطة ترانزستورات ثنائية القطب مقترنة حثيًا (IGBTs). وتلعب المحولات دورًا محوريًا في تصميم مصادر الطاقة.
محول الطاقة Power Supply
يمكن استخدام IGBTs مع مصدرين مختلفين للطاقة:
● مصدر طاقة وضع التبديل (SMPS)
● مصدر الطاقة غير المنقطع (UPS)
تبديل وضع امدادات الطاقة
يمكن أن تساعد IGBTs في تطبيقات التيار العالي، في حين يتم استخدام محول التبديل لتحويل خرج الجهد في SMPS.
مصدر طاقة غير متقطع
يمكن أن يساعد IGBT جهاز UPS في توصيل الطاقة بشكل مستمر وسلس بمجرد فشل النظام الكهربائي.
تطبيقات الطاقة المتجددة
تُدمج حلول الطاقة المتجددة في الخطط الاستراتيجية لعدد متزايد من المؤسسات التجارية والصناعية والبلدية. إن استخدام تقنية القنوات الدقيقة لتحسين تبريد سائل IGBT يُمكّن العملاء من توليد طاقة أكثر استدامة بتكلفة أقل.
المحولات الشمسية
محولات الطاقة الشمسية تحوّل الكهرباء المستمرة التي تولدها الألواح الشمسية إلى طاقة مترددة يمكن للمستهلكين استخدامها. يُعدّ الترانزستور ذو القطبين المزدوجين (IGBT) عنصرًا أساسيًا في تمكين الناس من الحصول على طاقة أذكى وأنظف، ويجب التحكم فيه حراريًا ليعمل بشكل صحيح.
أجهزة استقبال الطاقة الكهروضوئية المركزة (CPVs)
تُستخدم مئات من عاكسات المرايا في الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPVs) لتوجيه الطاقة الشمسية إلى مُستقبِل مركزي. يُولّد مُخرَج الطاقة الناتج تدفقًا حراريًا بالقرب من سطح الشمس!
ولضمان التشغيل المستمر، يجب تبريد جهاز استقبال CPV، وهو أحد المكونات الحيوية للنظام، باستخدام طرق عالية الكفاءة مثل تبريد السائل ذي القنوات الدقيقة.
مضخات الحرارة بمساعدة الطاقة الشمسية
لتوفير المال في التدفئة، تجمع مضخة الحرارة بمساعدة الطاقة الشمسية بين مضخة الحرارة العادية والمدخلات الكهروضوئية.
يمكن للألواح الباردة ذات القنوات الدقيقة لوحدات الطاقة IGBT تعزيز كفاءة الطاقة مع خفض التكلفة الإجمالية لملكية النظام.
خاتمة
تُنتج ترانزستورات IGBT حرارةً عاليةً، وقد تتضرر من كثرة هذه الحرارة. ونظرًا للكميات الهائلة اللازمة للتحكم في هذه الكميات الهائلة من الحرارة، فإن استخدام حلول التبريد الهوائي، مثل مشتتات الحرارة، لتبديد الطاقة العالية في ترانزستورات IGBT قد يكون غير عملي.
يتميز التبريد السائل بمعاملات نقل حرارة أعلى بكثير من التبريد بالحمل الحراري، مما يسمح بكثافة طاقة أعلى بكثير وحلول وحدات وعاكسات أكثر إحكامًا. ورغم أن التبريد السائل يُقاوم أحيانًا في مجال إلكترونيات الطاقة، إلا أنه ضروري لتلبية العديد من متطلبات إدارة الحرارة في ترانزستورات IGBT الحالية.
يُستخدم التبريد السائل لمحركات الاحتراق الداخلي في صناعة السيارات منذ أكثر من قرن، ولا تُعتبر فكرة استخدام التبريد السائل لإلكترونيات الطاقة في تطبيقات السيارات حاليًا أمرًا مُستبعدًا. تشمل طرق التبريد السائل لمحركات IGBT ألواح التبريد، وأنابيب الحرارة، والمُضطربات، وحلقات التبريد بالبخار.
تقوم شركة Kenfatech بإنشاء حلول تبريد سائل فريدة من نوعها تعتمد على قنوات دقيقة لتقنية IGBT لمساعدتك في زيادة أداء الطاقة وكفاءة وسلامة وموثوقية نظام إلكترونيات الطاقة الخاص بك.
