本紹介資料は、ResearchGateに掲載された論文「Thermal challenges of Wide Band Gap power electronics component in electrical vehicle」（電気自動車における広帯域バンドギャップパワーエレクトロニクス部品の熱的課題）の研究内容をまとめたものです。
1. 概要:
- タイトル: Thermal challenges of Wide Band Gap power electronics component in electrical vehicle (電気自動車における広帯域バンドギャップパワーエレクトロニクス部品の熱的課題)
- 著者: J. Hélie, J.-P. Fradin, F. Piscaglia
- 出版年: 2022
- 掲載ジャーナル/学会: Conference Paper
- キーワード: wide band gap, GaN, SiC, packaging, power electronic, cooling, heat transfer, EV, PHEV (広帯域バンドギャップ、GaN、SiC、パッケージング、パワーエレクトロニクス、冷却、熱伝達、EV、PHEV)
2. 概要 (Abstract)
パワーエレクトロニクスの冷却は、効率、小型化、コストの最適な妥協のために不可欠です。次世代の高電圧ボックスについては、液体強制対流冷却に焦点を当てています。まず、コールドプレートの概略図とコールドプレート設計の制約条件のいくつかの例を示します。これらの構成設計に関するいくつかの潜在的な革新は、トポロジー最適化（TO）によるシミュレーションによって得られます。TOは、乱流レベルが低いため、従来のエンジニア設計に代わる手段を提供します。次に、広帯域バンドギャップ（SiCおよびGaN）材料を採用した次世代トランジスタは、改善された機能を提供します。また、「トップクールド」と定義される最近のパッケージング戦略は、ヒートシンクの前面に熱露出パッドで構成されており、もはやPCB上にはありません。
パッケージングサイズは、冷却設計において重要な関連パラメータです。露出パッドのサイズは、ダイとヒートシンク間の熱経路の熱抵抗と、材料の広がり能力の両方に影響します。最後に、この影響は分析的に証明、定量化、および実験的に検証できます。パッケージングサイズは、冷却流体との交換表面にも影響を与え、この効果を強化します。
3. 研究背景:
研究テーマの背景:
自動車用途、特に高電圧パワーエレクトロニクスボードにおけるパワーエレクトロニクスボード[1]の冷却は非常に重要です。
先行研究の状況:
SiCやGaNなどの広帯域バンドギャップ（WBG）材料は、従来のシリコンベースのデバイスと比較して改善された機能を提供します。Keyesメリットファクター[3]は、熱的観点からさまざまな材料を比較し[4]、SiC-4HおよびSiC-6Hがシリコンよりも大幅に優れた性能を示すことを示しています（図3）。GaNも効率改善の可能性を示しています[2]。以前の研究では、埋め込みダイの概念[5,6]と統合モジュールが調査されています。
研究の必要性:
WBG材料や「トップクールド」コンポーネントなどの新しいパッケージング戦略の出現により、効率、小型化、コストのためにパワーエレクトロニクスの冷却を最適化する必要があります。
4. 研究目的と研究課題:
研究目的:
液体強制対流冷却に焦点を当て、電気自動車におけるWBGパワーエレクトロニクス部品の冷却に関する熱的課題と設計上の考慮事項を調査すること。
主要な研究:
- コールドプレートの設計と制約条件の調査。
- パッケージングサイズが熱抵抗に与える影響の調査。
- パッケージングサイズの影響を分析的および実験的に定量化および検証。
- 革新的な冷却設計のためのトポロジー最適化の活用。
5. 研究方法
本研究では、分析モデリング、数値シミュレーション、および実験的検証を組み合わせて使用します。
- 分析モデリング: 熱抵抗ネットワークを使用して、接合部から冷却流体への熱伝達経路をモデル化します（式1）。1Dモデルと広がり抵抗の計算が使用されます（式2）。
- 数値シミュレーション: コールドプレートの設計には、トポロジー最適化（TO）が使用されます。計算流体力学（CFD）と熱伝達解析を含む多次元シミュレーションが実行されます。「デジタルツイン」アプローチ。
- 実験的検証: モデルとシミュレーションを検証するために、さまざまなWBGテクノロジーとコンポーネントで測定が実行されます（図7、図10）。
6. 主要な研究結果:
主要な研究結果と提示されたデータ分析:
- コールドプレートの設計では、熱伝達係数と圧力損失の間にはトレードオフの関係があります（図2）。
- RDson対温度の安定性は、シリコンと比較してSiCの方が大幅に高くなっています（図4）。
- 上面冷却および下面冷却SMDコンポーネントの実装では、異なる熱ボトルネックがあります（図5）。
- 中間材料（IM）層の熱抵抗が重要です（図7）。
- パッケージングの表面積は、熱抵抗に大きく影響します（図7）。
- 特にパッケージングサイズが小さい場合は、広がり抵抗を考慮する必要があります。
- シミュレーション結果は、空冷条件の実験データとよく一致しています（図10）。
- トポロジー最適化により、革新的なコールドプレート設計を生成できます（図11、図13）。
図のリスト:
- 図1：典型的なパワーエレクトロニクスステージ
- 図2：Win/Lossトレードオフ
- 図3：Keyesメリットファクターを使用した材料の比較（シリコンで正規化）
- 図4：材料の比較：温度に対するRDsonの安定性
- 図5：下面冷却および上面冷却SMDメカトロニック実装
- 図6：一般的なピン配列コールドプレート上にある大型コンポーネントと60mm2 Mosfetの比較。下部は、主液体の流れに浸漬されたピン配列を示しています。
- 図7：さまざまなMOSFETの熱抵抗。点：測定値。線：1Dモデル。半透明領域：範囲。灰色は下面冷却、ピンクは上面冷却を示します。
- 図8：固体（コールドプレートベース）における結合された伝導-対流。上部：無次元熱抵抗。下部：無次元温度コーン幅
- 図9：上部：空冷の例。下部：液冷の例。
- 図10：空冷の例; シミュレーション/実験の比較
- 図11：液冷の例; 皮膚温度予測シミュレーション
- 図12：最適化アプローチのカテゴリ
- 図13：概念実証：3つのコンポーネントを使用したシミュレーション結果。アルファしきい値は流線とともに重ね合わされます。上部：2Dシミュレーションの押し出し。中央：3Dシミュレーション、圧力損失の目的関数設定。下部：コンポーネント温度の目的関数設定。
7. 結論:
主要な調査結果の要約:
WBGコンポーネントは、電気自動車のパワーエレクトロニクスの電力密度を高めるために不可欠です。熱経路の設計、特に小さな熱点からの熱の広がりが重要です。トポロジー最適化を含む従来型および革新的なシミュレーション手法は、どちらもコールドプレートの設計に役立ちます。
研究結果の要約。
本研究は、WBGパワーエレクトロニクスの熱管理におけるパッケージングサイズと界面材料の重要性を強調しています。新しい冷却ソリューションを生成する際のトポロジー最適化の有効性を示しています。
研究の学術的意義、研究の実用的意義
本研究は、電気自動車アプリケーションにおけるWBGテクノロジーがもたらす熱設計の課題と機会に関する貴重な洞察を提供します。この調査結果は、より効率的でコンパクトなパワーエレクトロニクスシステムの開発を導くことができます。
8. 参考文献:
- [1] F. Boissière, M Glötz, M Hackelsperger, K. Boukhris: "High Voltage Box for Electrified Vehicles", MTZ, 2022
- [2] G. Rösel, M. Hackelsperger, R. Knorr, J. Popov, Chr. Preis, A. Reich: "Achieving benchmark in power density and sustainability for power net, power supply and onboard chargers by a new generation of DC/DC converters and OBCs with Gallium nitride semiconductors", 2022
- [3] R. W. Keyes: "Figure of merit for semiconductors for high-speed switches", Proceedings of the IEEE, Feb. 1972
- [4] H. Okumura: "Present Status and Future Prospect of Widegap Semiconductor High-Power Devices", Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, No. 10A, 2006, pp. 7565-7586
- [5] M. Aussel: "CHPA : Feasibility of 'PCB with embebbed bare dies' for Electric Vehicle On Board Chargers", National Reliability Technology Workshop, Toulouse, 2021
- [6] A. Marie, J.-P. Fradin, L. Allirand, M. Aussel, P.-Y. Hamelin "Assessment of embedded GaN HEMT junction temperature measurement accuracy" THERMAL2023 : 16th European Advanced Technology Workshop on Micropackaging and thermal, March 2023
- [7] D. Schweitzer and L. Chen, "Heat spreading revisited – effective heat spreading angle," 2015 31st Thermal Measurement, Modeling & Management Symposium (SEMI-THERM), 2015
- [8] F. Ghioldi, J. Hélie, F. Piscaglia: "A Fast Computational Method for the Optimal Thermal Design of Anisotropic Multilayer Structures with Discrete Heat Sources for Electrified Propulsion Systems", International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021
- [9] T. Q. Feng, J. L. X: "An analytical solution of thermal resistance of cubic heat spreaders for electronic cooling", Applied Thermal Engineering 24 (2-3) 2004
- [10] Pironneau O.: "On optimum design in fluid mechanics". Journal of Fluid Mechanics 1974; 64(1): 97-110
- [11] E.M. Dede: "Multiphysics Topology Optimization of Heat Transfer and Fluid Flow Systems", Proceedings of the COMSOL Conference 2009 Boston
- [12] Dwight R, Brezillon J: "Effect of Various Approximations of the Discrete Adjoint on Gradient-Based Optimization", Aerospace Sciences Meetings. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2006
- [13] E. Gallorini, J. Helie, F. Piscaglia: "A Thermal Adjoint-Based Solver with Adaptive Mesh Refinement For Topology Optimization", Int J. Num. Methods Fluids, 2022, submitted
9. 著作権:
- 本資料は、「J. Hélie, J.-P. Fradin, F. Piscaglia」による論文「Thermal challenges of Wide Band Gap power electronics component in electrical vehicle」に基づいています。
- 論文出典: [ドキュメントにURLは提供されていません。]
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