ShowerPower紊流器使IGBT维持冷却状态 解决方案简介

日期:2019-10-22

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挑战
•充分冷却功率电子设备以保证运行性能
•考虑循环过程中的温度变化
•满足设计工程师的要求
•考虑系统腐蚀,密封性,沉淀及防冻
解决方案
•提供几个仿真案例,以便设计人员可以选择最优设计
•通过比较参数结果来支持最佳设计
•考虑多种流量的通道尺寸
•在构建最终原型之前预测表面温度
•Danfoss ShowerPower液冷换热紊流器
•Simcenter FLOEFD for Creo CFD软件包

 

ShowerPower®液体冷却换热紊流器(图1)由Danfoss GmbH工程师于2005年设计,用于有效地冷却绝缘栅双极晶体管(IGBT)功率模块。当时的驱动因素是每条电路在正常运行期间都会产生热量(或许超导情况除外,这在工业情况下很少见)。

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图1:一般的Danfoss ShowerPower紊流器概念(蓝色为冷却液体,红色为加热液体)
 
产生这种热量的原因是有源器件中的导电和开关损耗以及导体轨道中的欧姆损耗。而且,由于每一代功率半导体的体积都比前一代小,加上市场期望更小巧更紧凑的解决方案,因此热设计工程师要满足的需求不断增长。
 

因此,功率电子设备的充分冷却对于良好的运行性能至关重要。功率半导体组件中的主要失效机理不仅与绝对温度高有关,而且与循环过程中的温度变化有关。温度波动会在组件的材料界面产生热机械压力和应力(它们在热膨胀系数上不匹配),从而导致疲劳失效。
 

功率电子的液体冷却已经存在了很多年,主要是因为不断增长的功率密度要求,加上液体在某些应用中可以使用。液体冷却的传热系数比空气冷却要高几个数量级,从而实现更高的功率密度以及更紧凑的模块和逆变器解决方案。不同业务部门对液体冷却的接受程度有所不同。例如,汽车工业已经在内燃机上使用液冷已有一个多世纪了,因此汽车上的功率电子设备使用液体冷却的想法被认为是没有问题的。在其他行业中,让流体流过功率电子组件的想法通常遇到阻力和问题。用“紊流器”一词来形容ShowerPower”有点误导性:在正常流动条件下,流动通道中的流体呈层流状。典型的雷诺数约为500,雷诺数约为2400时会向湍流过渡。
液冷解决方案可以分为两类—间接液冷和直接液冷。间接冷却是指功率模块安装在封闭的冷却器上; 例如冷板。可以通过在铝板上打孔或在铝型材中压入铜管来制造冷板。处理冷板时,有必要在功率模块和冷板之间施加一层热界面材料(TIM)。另一方面,直接液冷是指冷却剂与要冷却的表面直接接触。这样,通过增加表面积来提高冷却效率,这通常是通过各种扰流柱设计来完成的。直接液冷(图2)消除了所需的TIM层。TIM层占接面冷却剂Rth的30%-50%,因此消除TIM可以改善功率模块的热环境。加上主要的失效机制是由温度驱动的,这使得功率模块更为可靠。
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图2:用于七个P3功率模块并联的典型Danfoss ShowerPower紊流器(蓝色)和液冷底板
 

图2中的ShowerPower冷却器组件用于具有七个P3 IGBT模块,紊流器,密封件和歧管的风力涡轮机。该设计确保所有模块中的所有芯片均有效地冷却。如果热点需要特别注意的话,该概念可以实现定制冷却——只需单独设计冷却通道即可。一般的ShowerPower塑料部件(蓝色)在X和Y方向上有多个冷却单元,且在塑料部件的背面需要一个歧管结构。这就确保了每个冷却单元可以在相同温度下接收水。 由于P3模块相对长且窄, 整个模块仅需要一个单元格; 由于背面的歧管结构变得过时,使得塑料部件更加简单。
 

总体而言,ShowerPower概念有以下固有优点:
•能够均匀冷却大型平板底板功率模块和模块系统,从而消除温度梯度,提高使用寿命并促进多个功率芯片的并联
•消除了对TIM的需求–无需TIM相关的抽空和干透效果
•压差非常低
•紧凑,重量轻,设计自由度高,支持3D设计
•制造成本低:将金属塑料转换为简单的塑料部件

 
 
 
 
 

 

多年来, 已经在各种Danfoss ShowerPower设计上进行了无数计算流体动力学(CFD)模拟和测试测量,以验证该概念并将其扩展到特定领域和定制应用。工程仿真(热学,流体,机械,应力,振动等)在任何功率模块产品开发项目中都是至关重要的部分,显而易见的原因是减少了所需的耗时和昂贵试验测试的次数。CFD是模拟ShowerPower液冷系统的最佳方法。 CFD可用于预测流体流量,以便找到正确的传热速率和压降条件,并计算和维持相应温度(例如半导体结温)。
 

在Simcenter FLOEFD™ for Creo CFD软件包(图3)中设计液冷系统时,我们考虑了几个问题,以确保可靠的解决方案能够在系统要求的生命周期内提供所需的性能。我们还考虑了其他因素,例如腐蚀,密封性,沉降(包括生物生长)和防冻问题。紊流器几何结构的排列非常大:
•通道宽度
•通道深度
•旁路高度
•每个曲流的通道数量
•通道横截面面积,避免堵塞风险
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图3:Simcenter FLOEFD for Creo中,典型Danfoss ShowerPower液冷功率模块几何形状的CFD仿真
 

图4展示了典型的ShowerPower应用的CFD预测。借助Simcenter FLOEFD,可以轻松创建几个不同的仿真案例,以使设计工程师可做出最佳判断。通过在软件中有效地比较参数结果,可以从多种CFD案例中找出最佳设计。我们能够针对各种流量查看多种不同的通道尺寸(图5)。

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图4:典型Danfoss ShowerPower液冷功率模块几何形状的CFD仿真,显示了流量矢量和速度等值线的截面图

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图5:ShowerPower中不同体积流量下的Simcenter FLOEFD压降曲线
 

Simcenter FLOEFD最终为我们提供了IGBT / ShowerPower系统表面温度的预测,然后再迭代到最终原型并进行构建和测试(图6)。

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图6:在运行的ShowerPower的Danfoss功率模块上的CFD温度曲面图

 

 

 

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