Охлаждение в системах высокой мощности

Андрей Колпаков

Развитие силовой электроники связано с постоянно увеличивающимися требованиями повышения плотности мощности, расширения температурного диапазона, уменьшения габаритов. Удельные токовые характеристики кристаллов IGBT за последние 10 лет увеличились в несколько раз, соответственно, возросла и плотность мощности потерь. Дальнейший прогресс технологий силовой электроники возможен только при условии повышения эффективности систем охлаждения, наиболее перспективными из которых считаются жидкостные.


Общие положения

Удельное значение мощности потерь, рассеиваемой в современных силовых модулях, достигает сотен ватт на см2, потери на кристаллах скоростных микроконтроллеров оказываются не намного меньше. Новейшие продукты микроэлектроники — мощные лазерные диоды или сверхъяркие светодиоды генерируют в процессе работы еще больше тепла (рис. 1). При этом технологические возможности воздушных систем охлаждения уже близки к своему пределу и в ряде случаев не могут обеспечить достаточно эффективный отвод тепла. Аналогичная ситуация сложилась в свое время в двигателестроении и, как в случае с автомобилями, решить проблему охлаждения преобразователей большой мощности способны системы жидкостного охлаждения.



Рис. 1. а) Соотношение плотности мощности и температуры различных устройств; б) эффективность отвода тепла для пассивных систем охлаждения

Пути распространения тепла в полупроводниковых модулях зависят в первую очередь от технологии их сборки и корпусирования. В электронике наибольшее распространение получили методы COB (Chip-On-Board) и Flip-chip, суть которых иллюстрируют схемы на рис. 2. Первая технология чаще всего применяется в силовых модулях для установки кристаллов IGBT, MOSFET и диодов, вторая — при монтаже микросхем памяти и микроконтроллеров.



Рис. 2. Путь распространения тепла: а) установка чипов на изолирующую подложку (MOSFET, IGBT, диоды силовых модулей); б) флип"чипы, или перевернутые кристаллы (процессоры, память)

Условиями, ограничивающими физические возможности отвода тепла в электронике, являются предельно допустимая температура чипа и максимальный уровень генерируемого тепла на единицу площади. На рис. 1а представлены соотношения плотности мощности и рабочей температуры для различных полупроводниковых приборов. Наибольшие потери мощности создаются лазерными диодами, для них эта величина достигает 400 Вт/см2. Температура охлаждающей среды для подобных компонентов не должна превышать 50–60 °С. Повышение скорости и производительности микроконтроллеров (CPU) приближает их по тепловыделению к силовым модулям, разница состоит только в более низкой рабочей температуре. Самый широкий температурный диапазон из всех полупроводников имеют новые карбидокремниевые (SiC) чипы, активно внедряемые в изделия силовой электроники.

Физические ограничения для систем охлаждения электронных устройств задаются значением максимальной рассеиваемой мощности на единицу контактной площади, температурой охлаждающей среды и габаритными размерами. На рис. 1б в упрощенной форме показаны возможности пассивных схем охлаждения относительно максимальной рассеиваемой мощности, приведенной к площади контакта.

Наибольшим потенциалом при прямом отводе тепла без учета его распределения обладают миниатюрные микроканальные жидкостные охладители. Системы естественного отвода тепла имеют на 2 порядка больший размер даже при меньшей величине удельной рассеиваемой мощности, остальные занимают промежуточное положение между этими двумя.

Эффективность работы пассивных систем охлаждения зависит от температуры окружающего воздуха, активные устройства не имеют жесткого ограничения по этому параметру. В промышленности более всего распространены 2 типа подобных систем: термоэлектрические и компрессорные, проводятся также испытания термоакустических охладителей, предназначенных для работы в космосе. Основные преимущества и недостатки различных технологий отвода тепла рассмотрены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики систем охлаждения

Охлаждение Преимущества Недостатки Область применения
Принудительное воздушное Низкая цена, отсутствие утечек Большой объем, необходимо распределение тепла, высокое тепловое сопротивление, акустические шумы Практически во всех областях электроники
Жидкостное Малый объем, гибкая конфигурация, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов Необходим компрессор, возможность утечек, высокая цена Лазерные диоды, силовая электроника
Тепловые трубы Малый объем, низкое тепловое сопротивление, малый уровень шумов Ограниченная теплонесущая способность, высокая цена, сложная конструкция Портативные компьютеры, силовая электроника, космос
Компрессорное Малый объем, низкое тепловое сопротивление, нет зависимости от окружающей температуры Высокая цена, сложная конструкция, акустические шумы Экспериментальные системы, кондиционирование
Термоэлектрическое Малый объем, низкое тепловое сопротивление, нет зависимости от окружающей температуры Ограниченная теплонесущая способность, низкая эффективность Оптоэлектроника
Термоакустическое Низкое тепловое сопротивление, нет зависимости от окружающей температуры Отсутствуют разработанные промышленные технологии Экспериментальные системы для космоса

Достижения технологии IGBT последних лет привели к появлению кристаллов с предельно высокими значениями плотности тока, диапазон их рабочих температур расширен до 175 и даже 200 °С. В результате этого все более возрастает значение теплового перехода «корпусрадиатор», а характеристики системы охлаждения становятся определяющими при проектировании конструкции преобразователя.

Стандартные штампованные радиаторы из алюминиевых сплавов не способны обеспечить мощностные и токовые характеристики IGBT новых поколений. Значение теплового сопротивления «радиатор–окружающая среда» Rthsa для подобных профилей оказывается недопустимо большим даже при оптимальном выборе режима охлаждения, что приводит к перегреву кристаллов. Однако благодаря дешевизне они продолжают находить свое применение при плотности мощности, не превышающей 1000–1500 Вт/м2·К.

Использование новых комбинированных профилей, предназначенных для работы в режиме принудительного воздушного охлаждения (рис. 3б, в), позволяет снизить тепловое сопротивление и повысить эффективность преобразования. Такие радиаторы несколько дороже в производстве, однако их использование оправдано при плотности мощности более 1000 Вт/м2·К.



Рис. 3. Формы ребер радиатора: а) классическая; б) двойное оребрение (профиль Р×16); в) комбинированная (профиль Р×308)

На рис. 4 показано примерное соотношение стоимости и эффективности различных способов охлаждения, используемых в промышленности: принудительное воздушное, жидкостное, а также естественная конвекция с применением тепловых труб.



Рис. 4. Соотношение стоимости и эффективности различных систем охлаждения

Необходимость в последнем из указанных методов отвода тепла возникает в случае, когда нет возможности использовать жидкость (например, по технологическим причинам) или вентилятор (например, в условиях очень грязных сред). При натуральной конвекции увеличение площади радиатора целесообразно только до определенных пределов, пока тепловая инерция позволяет теплу от создающего его источника распространяться по поверхности радиатора. Применение тепловых труб позволяет многократно увеличить эффективность охлаждения за счет снижения градиента температуры. При меньшем весе и соизмеримых размерах они способны отводить тепла в десятки, а иногда и сотни раз больше, чем любые металлы.

Классическая тепловая труба (рис. 5) представляет собой вытянутый в длину герметичный тонкостенный металлический сосуд (1), внутренние стенки которого выложены капиллярнопористым материалом, так называемым фитилем (2). Фитиль имеет малую толщину и пропитан рабочей жидкостью. Внутренний объем (3), свободный от фитиля, заполнен паром этой жидкости и является паровым каналом.



Рис. 5. Конструкция тепловой трубы

Если один конец тепловой трубы подключить к источнику тепла с температурой Т1, а другой — к приемнику с температурой Т2 (Т2<Т1), при этом будет происходить очень интенсивный теплообмен. Причем количество передаваемого при этом тепла Q оказывается во много раз больше, чем при использовании сплошных стержней, изготовленных, например, из меди или серебра.

Лучшим способом отвода тепла для конверторов мощностью более 1 МВт является жидкостное охлаждение. Кроме высокой эффективности, оно обеспечивает и снижение габаритов преобразовательного устройства.

Жидкостное охлаждение в силовой электронике

Жидкостное охлаждение обладает наилучшими показателями по рассеянию тепла, генерируемого полупроводниковыми устройствами. Основные параметры преобразователя, позволяющие в первом приближении выбрать способ отвода тепла, показаны в табл. 2.

Таблица 2. Выбор режима охлаждения

Параметры Воздушное охлаждение Жидкостное охлаждение
Мощность преобразователя, МВт <1 >0,5
Коэффициент перегрузки 1,5–2 1,1–1,3
Перегрев на низких частотах (0,01Fnom), °C 15 30
Ценообразующие элементы Вентилятор Компрессор, тосол, шланги, патрубки

На качество отвода тепла в жидкостных системах охлаждения влияют следующие параметры:

  • скорость потока охлаждающей жидкости;
  • наличие турбулентности охлаждающей жидкости в канале охлаждения;
  • количество каналов охлаждения в радиаторе;
  • материал теплостока (например, тепловое сопротивление медных радиаторов примерно на 20% ниже, чем алюминиевых);
  • соотношение гликоль/вода в охлаждающей жидкости (например, при изменении соотношения вода/гликоль с 50/50 до 90/10% тепловое сопротивление снижается на 35–45%).

Зависимость теплового сопротивления Rth от скорости потока V является нелинейной, и, как правило, в реальных системах она определяется экспериментально. В первом приближении в диапазоне номинальных значений соотношение величин Rth при изменении скорости охлаждения V определяется следующим образом:

где К — эмпирический коэффициент.



Рис. 6. а) Зависимость теплового сопротивления от скорости потока; б) определение рабочей точки охлаждающей системы

На рис. 6а показано семейство графиков зависимости Rth(s–a) = f(V) для 3 типоразмеров радиаторов NWK 40, отличающихся длиной и видом установленных на них модулей SKiiP. Для данной зависимости характерен так называемый «эффект насыщения», когда увеличение скорости потока не приводит к существенному снижению теплового сопротивления. Пользователи программы теплового моделирования SemiSel могут убедиться, что при увеличении параметра Flow Rate в меню Cooling начиная с некоторого значения прекращается коррекция величины Rth(s–a). Например, для теплостока NWK 40 максимальное значение Flow Rate — 12 л/мин соответствует величине Rth(s–a) = 0,009 °С/Вт, что соответствует состоянию насыщения.

Для каждого типа радиатора оптимальная рабочая точка системы охлаждения выбирается на пересечении двух характеристических кривых: описанной выше Rth(s–a) = f(V) и зависимости падения гидравлического давления радиатора ΔP от скорости потока. Вариант выбора рабочей точки для теплостока NWK 40 длиной 300 мм с 4-элементным модулем SKiiP при использовании 50%-ной смеси вода/гликоль приведен на рис. 6б.



Рис. 7. Разница температур «входящей» и «выходящей» охлаждающей жидкости в зависимости от скорости потока и рассеиваемой мощности (Ta = 25 °C, 50%-ный раствор гликоля)

В реальных применениях иногда приходится использовать последовательное включение радиаторов, как показано на рис. 7. В этом случае необходимо учесть, что жидкость нагревается по мере прохождения по контуру охлаждения. Расчет «входящей» температуры Ta* для каждого последующего теплостока производится по следующей формуле:

где Ta — температура «входящей» жидкости, а Pvn — мощность, рассеиваемая n-ным модулем. На графике, приведенном на рис. 7, показано, как разница температур «выходящего» и «входящего» воздуха зависит от скорости потока при различных значениях мощности потерь Pvn.



Рис. 8. Спиральная пружина — турбулизатор

Эффективность работы жидкостного радиатора может быть повышена с помощью различных методов, один из которых показан на рис. 8. Известно, что отводу тепла при данном способе охлаждения препятствует застой жидкости на стенках несущих трубок. Для борьбы с этим явлением используется ряд технологических приемов, один из которых был предложен и запатентован компанией Semikron. Суть метода состоит в размещении цилиндрических спиралей — «турбулизаторов» — в каналах охлаждения. Спиральные пружины разрывают пленку на стенке канала и создают вихревые потоки жидкости, в результате чего тепловое сопротивление радиатора снижается на 15–20%.

В ряде случаев, особенно при расчете системы охлаждения для применений высокой мощности, встает вопрос о выборе между жидкостным и воздушным охлаждением и о выборе материала керамической подложки силового модуля (как правило, это оксид алюминия Al2O3 или нитрид алюминия AlN). Отметим, что у модулей SKiiP предусмотрено оба типа теплоотводов и оба типа керамики, тепловые модели всех версий включены в базу данных программы теплового расчета SemiSel.



Рис. 9. Соотношение тепловых сопротивлений «кристалл–корпус» и «корпус–радиатор» при различных способах охлаждения

Как показано на рис. 9, способ отвода тепла в свою очередь может влиять на выбор материала керамической подложки модуля. В режиме воздушного охлаждении основная часть теплового сопротивления приходится на составляющую Rth(s–a) «теплосток–окружающая среда». В этом случае, как видно по рисунку, переход на более дорогой нитрид алюминия дает небольшой выигрыш. Ситуация полностью меняется при использовании жидкостного охлаждения, когда вклад сопротивления Rth(j–s) «кристалл–теплосток» становится намного больше. В этом случае применение нитрида алюминия позволяет существенно уменьшить температуру кристаллов Tj.

Как правило, для организации защиты от перегрева используется термодатчик, установленный на DBC-плате силового модуля (как это сделано в SKiiP) или на радиаторе с температурой Ts. Порог срабатывания системы защиты должен быть выбран с учетом используемого способа охлаждения.



Рис. 10. Интеллектуальный силовой модуль SKiiP 3: а) особенности конструкции; б) соотношение тепловых сопротивлений прижимного и стандартного модуля IGBT

На рис. 10 показаны основные элементы структуры «безбазового» модуля SKiiP с жидкостным охлаждением: радиатор, силовой каскад на подложке из нитрида алюминия и плата управления с сигнальным разъемом. На этом же рисунке поясняется принципиальная разница конструкций прижимного силового ключа SKiiP и стандартного модуля с базовой платой. Приведенные в табл. 3 данные свидетельствуют о том, что исключение базы и связанное с этим уменьшение толщины слоя теплопроводящей пасты позволяет снизить суммарное значение теплового сопротивления «кристалл–радиатор» более чем на 30% по сравнению с модулем стандартной конструкции. Для иллюстрации выбраны компоненты с близкими номинальными характеристиками и габаритными размерами.

Таблица 3. Сравнительные тепловые характеристики модулей стандартной и прижимной конструкции (рабочее напряжение 1700 В)

Тип модуля Конфигурация Ток коллектора
IC, А@80 °C
Rth(j–c), °С/Вт Rth(c–s), °С/Вт Rth(j–s), °С/Вт
2403GB172-4DW Полумост IGBT 1800 0,013
FZ2400R17KE3 Одиночный IGBT 2400 0,008 0,009 0,017

Заключение



Рис. 11. а) SKiiP RACK — базовый конструктив 4-квадрантного преобразователя; б) внешний вид ячейки с жидкостным радиатором

В 2009 г. дизайнерский центр Semikron представил новую платформу на базе интеллектуальных силовых ключей SKiiP (рис. 11), предназначенную для использования в конверторах энергетических станций. Модульная конструкция, выбор режима охлаждения и возможность параллельного соединения базовых блоков позволяют использовать компоненты платформы для разработки преобразователей мощностью от 450 кВт до 2,5 МВт. Основные характеристики системы приведены в табл. 4. Новая разработка ориентирована в первую очередь на возобновляемые источники энергии, такие как ветроэнергетические и солнечные установки, а также малые гидроэлектростанции.

Таблица 4. Основные характеристики базовой платформы SKiiP RACK

Тип генератора Воздушное охлаждение Жидкостное охлаждение
1,5 МВт 2,5 МВт 1,5 МВт 2,5 МВт
DFIG* SKiiP
в параллель
Iout, A SKiiP
в параллель
Iout, A SKiiP
в параллель
Iout, A SKiiP
в параллель
Iout, A
Выпрямитель 1 600 2 1100 1 470 1 950
Инвертор 1 420 1 720 1 525 1 820
SG** SKiiP
в параллель
Iout, A SKiiP в
параллель
Iout, A SKiiP в
параллель
Iout, A SKiiP в
параллель
Iout, A
Выпрямитель 1 1440 3 2160 1 1350 2 2400
Инвертор 1 1500 3 2250 1 1350 2 2400
* — DFIG (Double Fed Induction Generator) — асинхронный генератор с двойным возбуждением;
** — SG (Synchronous Generator) — синхронный генератор.

Дизайн единичного модуля платформы SKiiP RACK позволяет ему работать в режиме воздушного и жидкостного охлаждения. Способ отвода тепла и конфигурация всей системы выбираются пользователем в зависимости от вида источника энергии и требуемой мощности.

Сборка SKiiP RACK включает все необходимые элементы монтажа, она может поставляться на раме или в шкафу в виде полностью законченной конструкции, имеющей силовые терминалы питания и выходов, а также штуцеры для подключения жидкостной системы охлаждения. Конструкция сборки содержит 3 вертикально расположенные ячейки, каждая из которых состоит из двух фазных блоков. Вес ячейки 26 кг, в звене постоянного тока применены полипропиленовые конденсаторы ELECTRONICON общей емкостью 3–5 мФ.

В режиме воздушного охлаждения SKiiP RACK дает возможность формировать 4-квадрантную систему мощностью до 1,5 МВт, вся сборка размещается в стандартном шкафу размером 600×600×1400 мм. При параллельном соединении ячеек с жидкостным охлаждением общая мощность инвертора достигает 2,5 МВт. В настоящее время в разработке находится платформа на базе компонентов SKiiP четвертого поколения, которая должна позволить увеличить токовые характеристики на 15–20% в тех же габаритах.

Литература

  1. Schultz-Harder J. Liquid cooling in high density packages. www.curamik.com.
  2. Freyberg M., Scheuermann U. Measuring Thermal Resistance of Power Modules // PCIM Europe journal. 2003.
  3. Thermal Considerations in the Application of Silicon Rectifier. IR Designer’s Manual. 1991.
  4. Calculation of the Maximum Virtual Junction Temperature Reached Under Short-time or Intermittent Duty. IEC 60747-6 by Semikron.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2010_3_62.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо