使用可蒸发的电介质流体冷却IGBT

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电子系统的单相液冷却已经广泛应用了50多年。

流体广泛应用于不同的工业：电力电子中的介质油；企业服务器中的水和某些全氟化氟化合物（PFC）；乙二醇/水（EGW）混合物、聚乙二醇/水（PGW）混合物，以及军事和航空航天电子系统中的某些全氟化物。

最近，使用热管、蒸汽室和毛细管泵环（CPL）的两相冷却已被应用于广泛的行业。

这些系统通常使用少量的水或其他液体在真空中蒸发，通过利用蒸发热，它们因此提供了增加的除热能力。

电力电子系统的功率密度和总功耗的显著增加，以及多种类型车辆电气化对性能和响应速度的要求，限制了传统的强制对流风冷或单相液体系统的应用。

强制空气或单相液体冷却系统的局限性在车辆和机载系统中尤为明显。为了克服这些限制，研究了替代液体的使用。

因此，开发了使用普通介质制冷剂的系统，称为可蒸发介质冷却。

车辆电气化需求增加了重型建筑车辆、地面运输车辆、飞机和船上推进设备的较小系统体积的散热。

电力半导体制造商正在开发隔离栅双极晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件，用于电气驱动和牵引应用，在更高的温度下运行，以满足这些市场要求。

表1显示了最近达到的最高工作温度的一个例子。

IGBT和MOSFET功率器件在最高温度、最高频率下工作时，都达到了最佳的效率。

随着新的IGBT和MOSFET功率半导体器件的开发，具有更高的最大开关频率，两相和其他高性能液体冷却系统的性能能力的提高可能会推动这种热解决方案的扩大使用。

新的应用，如电动汽车动力系统逆变器，必须设计在45°C的沙漠条件下运行。

这些应用程序具有最小的热净空空间；因此，必须实现高效的热解决方案，如VDF冷却。

系统设计的主要目标是利用安装在igbt或其他半导体上的液体冷板（LCP）内的工作流体的沸腾，以最大的额外能耗实现最小的除热。

两相系统的一个经验法则是，汽化热原理会使总热传递增加两到四倍。

所采用的冷凝器的类型和效率影响总散热的效率。使用两相，机械泵送冷却系统是一个优秀的中间系统的概念。

热管、蒸汽室和各种CPL系统使用密封体积内的汽化热；然而，机械泵的增加增加了两相系统的总容量。

基本VDF系统的主成分如图1所示。

图1显示了一个简单的车辆驱动逆变器的VDF冷却系统的热模型。该系统有三个热源，在环境温度为35°C的环境下运行。

这类系统中的组件包括：

1. 蒸发器，用于多个热源的并联或串联操作。每个蒸发器都包含一个内部歧管装置，用于流体进入和蒸汽/液体混合物出口。这种蒸发器的例子如图2和图3所示。

2.低流量机械泵(s)设计用于使用电介质流体。如果可能，泵始终位于系统的最低点，冷凝器位于其上方。泵的实例如图4和图5所示。

3.冷凝器(s)：液对空气和液对液的热交换器。如果可能的话，冷凝器位于VDF系统的最高点。

4.辅助设备：快速断开配件、膨胀罐、过滤器/干燥器、流量计、传感器等。

VDF系统（也称为PLMC [4]，泵送液多相冷却）与蒸汽循环压缩制冷系统有三个重要的区别，尽管冷却剂是相同的：

1. 它不使用压缩机。2.它不能在高压下工作。3.它在环境条件下不会冷却。

VDF系统的概念对电子热管理有几个重要的优势：

1. 结合蒸发热原理来达到两相传输的高效率。

2. 低流体流量和液体冷板内的压降降低了整体泵负荷。在两相VDF和水基系统之间保持足够冷却所需的流量的比较如表2所示。

3.由于流体流量较低，需要较小的泵。

4.VDF系统的动态优化。系统的动态平衡：随着热负荷的增加，沸腾率的增加；随着热负荷的降低，沸腾率的降低。主要的系统设计要求是消除冷板内干燥的任何可能性。

5.人员和设备的安全。电介质流体消除了由于冷却液短路而造成的灾难性故障。R-134A和类似制冷剂的释放会在室温下蒸发。

6.使用低成本的金属、不同的材料、简化制造液体冷板和流体系统的其他部件。惰性介电介质流体，如R-134A和其他类似流体，消除了与系统设计和可靠性有关的电流作用和腐蚀。

7.流动泵系统设计选项。惰性电介质流体可用作泵的冷却剂和轴承润滑剂。

8.密封的系统设计选项。消除了液体灌装、补充和其他维护的现场处理。它还消除了污染和气泡形成的堵塞可能性。

9.流体系统组件的可用性。使用通用的R-134A制冷剂，系统设计者可以使用为暖通空调系统设计的大量部件，如密封件、软管、配件、快速断开连接器和其他部件。

使用以电介质流体作为冷却液的两相机械泵送回路（MPL）也有一些缺点：

1. 流体与水的热容降低。

2. 以前缺乏合适的泵。

3. 对两相MPL系统的复杂性的感知，包括系统的不稳定性，以及对LCP内的干燥和由此产生的热失控的感知潜力。

4. 为双相MPL系统设计的泵的可靠性数据不足。

5. 对高相对成本的认知。

6. 在单相EGW和去离子水冷却方面有广泛和成熟的电子工业经验，但没有使用VDF两相流。

这类冷却技术的潜在应用包括：

1. 固定式电气驱动器。这些系统特别适合于这种类型的冷却技术。先进的冷却解决方案是牵引市场新发展的重点，在那里，电气驱动必须设计为处理重型货运系统、高速客运列车、快速运输和采矿应用机车的严重（振幅和频率）过载条件。

   在电气驱动设计中，在确定功率半导体和热溶液的尺寸时，过载条件而不是稳态是一个主要关注的问题。改进了电力电子设备的冷却能力，可以改进IGBT半导体器件的尺寸。

2. HEV/EV动力传动系逆变器。混合动力、燃料电池和电动驱动汽车的专业紧凑、低成本、可靠的逆变驱动器的发展正在迅速发展。

   这一细分市场推动了具有更高温度能力的IGBT模块的开发，这些模块可以在更极端的环境温度和其他操作条件下使用。

   VDF冷却系统正在评估用于重型越野和军用车辆，其中允许多个液体冷却回路可以在车辆平台内提供不同的功能。

3. 低压和中压电驱动器用变压器。这些变压器的总吞吐量可以极高至1000MVA；因此，即使是变压器绕组冷却的微小改进也可以产生可测量的运行节约。

   在大型电气驱动器中使用双相VDF冷却的另一个好处是，对驱动器电源电子设备和与变压器绕组相关的驱动器使用相同的冷却剂和冷却系统。

   典型的变压器，设计为双回路冷却回路，使用介电油来冷却绕组，并使用二次水回路来消除热交换器或冷水机的热负荷。

   由于VDF系统使用了电介质流体，因此可以消除二级回路，并且核心的尺寸可能会减少，因为两相VDF系统所需的冷却剂体积更小。

4. 储能系统。这些系统代表了车辆、平稳和可移动应用的快速发展的市场。与驱动器和电机相比，储能系统有非常不同的热要求。

   热通量和耗散的平均总热可能看起来很低。然而，汽车外壳内用于储能的体积非常小。

   此外，全太阳照射会将最高环境温度条件提高到非常高的水平。这些条件超过了水冷系统满足排热总要求的能力。