مدیریت حرارتی فعال در ماژول های توان SiC و GaN با فرکانس سوئیچینگ بالای ۵۰۰ کیلوهرتز

روند توسعه الکترونیک قدرت در دهه اخیر با ورود مواد نیمه رسانای پهن باند مانند کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) وارد مرحله ای جدید شده است، به گونه ای که تبدیل توان در اندازه کوچک تر، بازده بالاتر، چگالی توان بیشتر و قابلیت سوئیچینگ با فرکانس های بسیار بالا ممکن شده است. با این حال، این فناوری ها چالش بزرگی را نیز ایجاد کرده اند و آن مدیریت حرارتی پیشرفته و فعال در ماژول های توان است. در فرکانس های سوئیچینگ بالای ۵۰۰ کیلوهرتز، چگالی تلفات افزایش یافته و توزیع حرارت به سرعت متغیر می شود، بنابراین رویکردهای سنتی مانند هیت سینک غیرفعال، خنک سازی حجمی و لایه گذاری ساده پاسخگوی بارگذاری حرارتی لحظه ای نیستند. این پژوهش با تحلیل سامانه های مدیریت حرارتی فعال، شامل خنک کننده های هوشمند، مواد انتقال حرارت با فاز متغیر (PCM)، ساختارهای ریزکانالی و سیستم های کنترل بلادرنگ، نشان می دهد که افزایش فرکانس سوئیچینگ و کوچک سازی ماژول ها باعث می شود دما نه تنها به میانگین توان، بلکه به شکل موج و تغییرات لحظه ای جریان وابسته شود. نتایج تحلیلی نشان می دهد که ماژول های SiC و GaN در کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی، مبدل های منابع انرژی تجدیدپذیر، منبع تغذیه سوئیچینگ صنعتی و ارتباطات پرتوان RF در صورتی قابل بهره برداری با بازده بالا خواهند بود که از سیستم های حرارتی فعال مبتنی بر کنترل حلقه بسته، سنسورهای حرارتی بلادرنگ و خنک سازی میکروسیالی استفاده شود. مقاله حاضر ضمن بررسی رفتار حرارتی ترانزیستورهای پهن باند در شرایط گذرای دما و تحلیل مدل سازی حرارتی-الکتریکی ترکیبی، راهکارهای طراحی، مواد پیشنهادی، ساختارهای لایه ای، هندسه انتقال حرارت، چالش های تولید و پارامترهای کلیدی موثر بر پایداری حرارتی در توان بالا را بررسی می کند. جمع بندی نشان می دهد که آینده مدیریت حرارتی در SiC و GaN صرفا وابسته به افزایش بازده نیست، بلکه نیازمند تغییر نگاه از «خنک سازی غیرفعال صرف» به «سامانه حرارتی هوشمند شبکه ای-فعال» است که رفتار توان را در لحظه پایش کرده و استراتژی خنک سازی را متناسب با بار و فرکانس به صورت بلادرنگ تغییر دهد.

کلیدواژه ها:

SiC ، GaN ، الکترونیک قدرت ، خنک سازی فعال ، مدیریت حرارتی ، مبدل های فرکانس بالا ، میکروسیال ، توپولوژی توان ، نیمه رسانای پهن باند ، مدل سازی حرارتی-الکتریکی