Danfoss 的ShowerPower技术

 各位读者好,本公众号的第二篇文章如约于三月中和大家见面。之前原计划就2016 PCIM 中各大IGBT驱动及模块制造商的最近技术进展写2~3篇文章。但中间有朋友向我推荐了这篇文章后,觉得挺有意思的,于是整理后和大家分享。

参考文献:Optimization Tool for Direct Water Cooling System of High Power IGBT Modules,发表于2016 EPE,作者 A.S.Bahman来自于丹麦Aalborg大学,欧洲三大电力电子名校之一。

首先根据是否有TIM材料,将散热分为“间接”和“直接”两大冷却方式:比如常规的风冷,铜管预埋都是“间接”冷却:为提升散热效果,功率器件的散热面和散热器之间都需要添加TIM(Thermal Interface Material)。TIM材料通常是硅脂,有过DIY电脑经验的朋友应该知道,给电脑CPU安装风扇前也需要在其表面涂抹硅脂。IGBT散热表面的平整度约为十微米量级,为解决涂抹硅脂一致性的问题,日系两强和Infineon都有推出所谓的“Pre-applied Phase Change Material”(如图1)。但即使按照厂商推荐的方式涂抹硅脂,因为TIM而引入的热阻也可以达到整体热阻的30~50%。

Danfoss 的ShowerPower技术
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              图1 日系 Pre-applied Phase Change Material IGBT 模块

那么TIM材料是否必须呢?前几年已有厂商推出了不需要TIM而采用Pin-Fin结构的IGBT模块,其本质就是将原来外置散热器上的Pin针直接和IGBT底部的铜基板作成一体。他可以显著解决间接散热中热阻和流阻性能较差的问题。可惜,散热器的pin形状、数量、都需要根据不同的系统热阻及水路需求进行优化设计,对于需要标准化设计的IGBT厂商,这种pin-fin模块很难做到标准品一样的大规模生产销售。     

Danfoss 的ShowerPower技术

图2 间接散热与直接散热

同时,仅依靠pin-fin,不采用特殊设计的水路结构,整个基板乃至IGBT结温很难做到温度均衡,尤其对于大功率应用,IGBT模块内通过多个Die并联实现,模块内部不同位置的IGBT芯片也存在不小温度差异。   

    于是乎,Danfoss这家并不是那么热门的IGBT制造商,推出了自家的ShowerPower技术,也就是图2最后一种散热方案,看起来各方面表现都不错。图3给出了这种方案下的的基板温度仿真图,看起来均温效果较好;

Danfoss 的ShowerPower技术
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图3 Pin-fin vs ShowerPower

    那我们来看一看所谓的ShowerPower技术究竟发生了什么。图4给出了两个模块的ShowerPower的分解图。可以看到模块和水冷“板”之间增加了一层塑料板,看起来就是优化设计后的水路。

Danfoss 的ShowerPower技术
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图4 ShowerPower的结构分解图

    其实ShowPower 并不复杂,就是用更容易成型及定制的塑料来分割水路,配合挖槽的水冷“板”,形成优化设计后的水路。图5为Danfoss给出的几种水路结构。最左边的水路结构就是图4右边的细节展示,Bahman文中的水路设计也是以这种结构举例说明,即在单一平面上水路同时存在XY两个方向的流动,下一段会重点给出类似水路的设计和仿真重点。后面两种水路,则存在第三个方向Z轴厚度方向上的水路流向,从中间第二个模块积木效果图可以看出,采用这种水冷方案配合特定的模块设计可以形成立体式的powerstack方案,看起来特别适合EV应用,本期不多讲。

Danfoss 的ShowerPower技术
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图5 ShowPower不同的水路结构

    接下来看看Bahman仿真的结果,看出来预置的塑料板在长度方向上形成了多个并联水路,水从冷板一侧流入,另一侧流出,每个并联水路在水冷板开槽内一定宽度内盘旋,尽量多的接触模块基板。

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图6 水路仿真结果

对于这类水路,水路设计的点在哪呢?文中也给出了设计的变量包括翅片的尺寸数量,挡墙的尺寸,并联通道数,单个通道数的宽度和深度,通道内单个水路单元的面积。当然还有水路挡板和外部水冷“板”配合的几个关键机械尺寸。

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   其实,ShowPower水路设计的要点就是水路热阻和水路流租的设计折衷,通道数越多,单位通道内翅片越多热阻越小,散热效果越好,但是水路的流阻越大,单位流量下的水路压降越大。

Danfoss 的ShowerPower技术
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说到最后,我们可以回顾一下为什么类似结构能够能取得比Pin-Fin更好的效果。笔者看来,ShowPower的最大优势就是水路的更易定制性,而Pin-Fin由于与IGBT基板的强耦合,系统级别水路优化设计的空间不大。文中的仿真设计思路和方法值得国内产业界学习借鉴。

当然,ShowPower并不是万能,现阶段能否得到推广也很难说。相比常规水冷方案,冷板的防腐蚀,水路密闭性,水路防沉淀,关联材料选择,防冻设计等放方面都需要做出额外的设计和工艺控制。

最后,感谢大家看到最后,有感兴趣的Topic都可以联系回复本微信号,下一篇文章计划4月中推送。

来源公众号:电力电子黑科技


简介:主人有点忙,还没来得及写简介~
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