Thermal analysis of heat sinks for new sic power electronic modules

The aim of the work presented in this thesis is to explore the various cooling methodologies available for cooling of power modules and calculation of junction temperature with forced and free convection for IGBT and SiC MOSFET with similar rating. Power modules are increasingly used in a variety of applications ranging from renewable energy, aircraft and mass transport systems, , motor control and power conversion in the home. Reliability of the power module is very important in renewable applications where the highest levels of safety and robustness are required while keeping the volume and mass of the module as low as possible. Certain parts of the power module such as the solder layer beneath the silicon device and the substrate are prone to failure with thermal cycling. The layer of thermal grease between the base plate of the module and the heat sink significantly increases the thermal resistance between the electronic devices and the coolant fluid. The power module can be constructed so that some of the interfaces within the module which are prone to failure are improved or completely removed from the assembly greatly reducing the thermal resistance from junction to ambient. The research identified cooling methods but focused on cooling by natural or forced convection for power electronic devices.

Lo scopo del lavoro presentato in questa tesi è quello di esplorare le varie metodologie di raffreddamento disponibili per il raffreddamento dei moduli di potenza e di calcolo della temperatura di giunzione con convezione forzata e gratuita per IGBT e MOSFET SiC con punteggio simile. Moduli di potenza sono sempre più utilizzati in una varietà di applicazioni che vanno da energia rinnovabile, aerei e sistemi di trasporto di massa,, controllo motore e conversione di potenza in casa. L'affidabilità del modulo di potenza è molto importante in applicazioni rinnovabili dove sono richiesti i massimi livelli di sicurezza e robustezza, mantenendo il volume e la massa del modulo più basso possibile. Alcune parti del modulo di potenza come strato saldante sotto il dispositivo di silicio e il substrato sono soggetti a guasti con cicli termici. Lo strato di grasso termico tra la piastra di base del modulo e il dissipatore di calore aumenta significativamente la resistenza termica tra i dispositivi elettronici e il fluido refrigerante. Il modulo di potenza può essere costruito in modo che alcune delle interfacce all'interno del modulo che sono soggetti a guasti sono migliorati o completamente rimosso dal gruppo riducendo notevolmente la resistenza termica giunzione ambiente. La ricerca ha identificato metodi di raffreddamento ma focalizzata sul raffreddamento per convezione naturale o forzata per dispositivi elettronici di potenza.