Охлаждение силовых модулей: проблемы и решения.
Часть 1
Основные положения
Эффективность работы пассивных систем охлаждения зависит от температуры окружающего воздуха, в то время как активные устройства не имеют жесткого ограничения по этому параметру. В промышленности более всего распространены два 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 таблице 1.
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 |
Тепло, генерируемое силовыми кристаллами, рассеивается в окружающей среде с помощью радиаторов, имеющих высокую площадь поверхности для эффективного излучения и конвекции. Изолированные полупроводниковые компоненты могут размещаться на общем теплостоке, в качестве которого в ряде случаев используются конструктивные части преобразователя (корпус, шасси). Тепло из радиатора удаляется в охлаждающую среду непосредственно (за счет его теплопроводности) или с помощью теплоносителя. В качестве охлаждающей среды используется воздух, вода, антифриз или масло.
Тепловая модель охлаждающей системы
Поведение теплоотвода в системе охлаждения описывается следующим выражением:

Данная формула позволяет определить тепловое сопротивление, являющееся важнейшей характеристикой радиатора:

где Q — количество рассеянного тепла; α — коэффициент теплопередачи; А — эффективная площадь поверхности.
Температура Ts, необходимая для расчета градиента ΔT(s-a), измеряется в определенной точке теплостока (как правило, в центре), и величина Rth(s-a) всегда относится к конкретному положению сенсора. Использование другого положения термодатчика даст, соответственно, отличное от этого значение теплового сопротивления, подробно этот вопрос рассмотрен в [2]. Во многих случаях для упрощения анализа предполагается, что температура равномерно распределена по телу радиатора и сопротивление Rth(s-a) одинаково для всех источников, расположенных на одном теплостоке.
Как видно из приведенного выше выражения, величина Rth снижается с ростом активной площади радиатора А, определяемой линейными размерами и количеством ребер. Отметим, что увеличение площади за счет оребрения не должно препятствовать свободной циркуляции воздуха, снижать скорость потока и коэффициент теплопередачи α. Сказанное поясняет разницу конструкций радиаторов, предназначенных для режимов естественного и принудительного охлаждения. При росте мощности рассеяния улучшаются условия проникновения тепла, а его равномерное распределение и увеличение площади излучения Aeff делают работу радиатора более эффективной, что эквивалентно снижению Rth(s-a). Образование вихревых потоков охлаждающего воздуха или жидкости позволяет повысить значение α, что также вносит свой вклад в уменьшение теплового сопротивления.
Поведение радиатора может быть описано с помощью эквивалентной RC-цепи, где R — тепловое сопротивление Rth(s-a) или Zth(s-a), а С — теплоемкость. Однако при кратковременных всплесках рассеиваемой мощности характеристика Zth(s-a) распадается на несколько временных составляющих (например, рис. 6). Суммарное значение импеданса Zth(j-a) может быть определено путем добавления соответствующих тепловых характеристик силового модуля с учетом путей распределения температуры. Кривая Zth представляется в виде суммы n экспоненциальных функций:

Количество слагаемых ν и величины Rthv и τν выбираются таким образом, чтобы обеспечить достоверную аппроксимацию характеристики динамического теплового импеданса при разумных вычислительных ресурсах. Базой для определения значений Rth и τth служит кривая Zth, получаемая экспериментальным путем. Математические программы и табличные средства вычислений (Excel) способны решать системы уравнений с несколькими неизвестными путем задания нулевого значения суммы квадратов ошибки для большого количества точек интерполяции, как показано в следующем выражении:

Для исключения абсурдных решений задается условие, что Rth и τth всегда больше 0. Количество пар значений Rth/τth можно увеличивать до тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность (в большинстве случаев трех-пяти итераций бывает достаточно).
Факторы, определяющие тепловое сопротивление
Величина теплового сопротивления зависит от числа расположенных на радиаторе модулей, при этом справочное значение Rth(s-a), как правило, относится к случаю равномерного распределения температуры по монтажной поверхности. Увеличение количества источников тепла приближает реальную ситуацию к этому идеальному варианту, обеспечивающему минимально возможную величину сопротивления. Процесс его измерения достаточно сложен и требует больших временных затрат, однако справочные данные зачастую недостаточно точны для конкретных применений. Хорошим решением является моделирование с помощью метода конечных элементов (FEM), который в данном случае особенно эффективен. На рис. 1 приведены результаты компьютерного анализа тепловых режимов при установке одного (справа) и трех стандартных 62-мм IGBT-модулей (слева).

Рис. 1. Результаты теплового моделирования при установке одного и трех модулей на радиаторе (мощность рассеяния — 600 Вт на один модуль)
Для второго варианта (три модуля):

При установке только одного силового ключа тепловое сопротивление при аналогичных условиях увеличивается примерно на 65%:

SEMIKRON в своей документации определяет значение Rth в зависимости от количества модулей и длины профиля (рис. 2). При различном положении модулей на радиаторе тепловое сопротивление также может меняться, анализ таких ситуаций рекомендуется производить с помощью программ теплового моделирования.

Рис. 2. Тепловое сопротивление профиля Р16 при различном количестве n и размере b источников тепла, а также разной длине профиля
Распределение тепла по телу радиатора достигается за счет хорошей теплопроводности его материала, снижения толщины профиля или с помощью встроенных тепловых труб. Равномерное размещение силовых модулей по монтажной поверхности также способствует улучшению этого показателя, причем зачастую приходится находить компромисс между компактным дизайном и приемлемыми тепловыми характеристиками конструкции.
Пример моделирования на рис. 3 показывает, что сопротивление Rth(s-a) снижается на 11% при увеличении расстояния между модулями с 0 до 18 мм. Как и в предыдущем случае, мощность рассеяния на каждый ключ составляет 600 Вт, температура окружающей среды Ta = +40 °C. С точки зрения оптимизации тепловых параметров при воздушном охлаждении желательно устанавливать компоненты с интервалом до 3 см (→ Rth(s-a) = 0,266 или –17%), однако при этом требуется и радиатор большего размера. В жидкостных системах этот эффект проявляется в гораздо меньшей степени за счет более эффективного охлаждения.

Рис. 3. Улучшение распределения тепла при увеличении расстояния между модулями 3-фазного инвертора
Кроме вышеперечисленных факторов, величина Rth(s-a) зависит от положения источника тепла относительно направления движения охлаждающего воздуха, а также его скорости. Сказанное поясняет рис. 4, где показано, как изменяется сопротивление радиатора при различной ориентации расположенного на нем силового модуля. Установка на краю теплостока является неэффективной, поскольку тепло распространяется, в основном, в направлении потока охлаждения.

Рис. 4. Тепловое сопротивление радиатора Р16/300 в зависимости от интенсивности охлаждения при различном положении силового модуля
Измеренная величина Rth(s-a) в значительной степени зависит от положения термодатчика, этот вопрос подробно рассмотрен в [2]. Как видно на рис. 3, перепад температуры по поверхности радиатора составляет 30 °С. В принципе, нагрев теплостока Ts может измеряться в тех же точках, которые используются для нормирования параметров силовых модулей: Rth(c-s) (сопротивление «корпус–радиатор») или Rth(j-c) (сопротивление «кристалл–корпус»). В противном случае тепловая цепь между кристаллом и окружающей средой оказывается разорванной. К сожалению, производители элементной базы не имеют единого мнения относительно положения контрольных точек. Более того, они могут отличаться и для модулей разной конструкции, производимых одной компанией, что имеет четкое техническое обоснование. Чаще всего место измерения температуры радиатора Ts выбирается на его поверхности рядом с корпусом силового ключа или в отверстии под кристаллом в 2 мм от поверхности теплостока (рис. 5).

Рис. 5. Методы измерения температуры для определения величин Rth(c-s) и Rth(s-а)
Для всех модулей стандартной конструкции с базовой платой SEMIKRON определяет величину Rth(c-s) в точке, находящейся рядом с корпусом, на расстоянии от его угла, равном 1/3 длины базы. Температура радиатора в зоне Ts1 гораздо меньше, чем в отверстии под кристаллом (Ts2), поэтому градиент ΔT(c-s) получается высоким, а ΔT(s-a) — низким. Результатом является большее значение теплового сопротивления Rth(c-s)1 и, соответственно, меньшее Rth(s-a)1 — по сравнению со вторым методом, использующим величину Ts2 и дающим в итоге Rth(c-s)2 и Rth(s-a)2. Чем лучше радиатор рассеивает тепло, тем больше разница, независимо от режима охлаждения. В первом приближении можно считать, что Rth(с-s)1 ≈ 2Rth(с-s)2.
Преимуществом первого метода является простота измерения и доступность точки Ts1, во втором случае требуется специальная обработка радиатора (размещение датчика в отверстии). Его недостаток состоит в зависимости значения Rth(c-s) от распределения тепла в теле радиатора. Таким образом, при сравнении характеристик модулей, производимых разными фирмами, необходимо учитывать способы измерения теплового сопротивления и производить соответствующий перерасчет.
Для модулей прижимной конструкции, не имеющих базовой платы, SEMIKRON определяет величину сопротивления «кристалл–радиатор» Rth(j-s) в точке, находящейся в радиаторе непосредственно под чипом.
Естественное (натуральная конвекция) и принудительное воздушное охлаждение
Режим естественного охлаждения применяется в маломощных преобразователях (до 50 Вт), однако он может понадобиться и в случаях, когда использование вентилятора невозможно (например, в условиях грязных сред) или площадь охлаждаемой поверхности очень велика. Поскольку величина динамического теплового импеданса радиатора при натуральной конвекции превышает тепловое сопротивление силового модуля, перепад температуры между чипом (+125 °С) и охлаждающим воздухом (+45 °С) распределяется по поверхности теплостока. Нагрев радиатора рядом с модулем оказывается выше, чем в случае принудительного охлаждения, он может достигать, например, +90…+100 °С. Потери мощности в этом режиме, как правило, невелики, таким образом, база и ребра теплостока должны быть как можно тоньше, поскольку теплопроводность играет незначительную роль в процессе конвекции. Расстояние между ребрами следует выбирать достаточно большим, чтобы обеспечить хорошее соотношение между воздушным противодавлением (соотношением падения температуры к плотности потока) и аэродинамическим сопротивлением. Чернение поверхности радиатора улучшает его характеристики излучения, что позволяет снизить Rth(s-a) до 25% в зависимости от градиента температуры между монтажной поверхностью и окружающим воздухом.
В отличие от естественной конвекции применение режима принудительного воздушного охлаждения позволяет снизить тепловое сопротивление радиатора в 5–15 раз. На рис. 6 показано сравнение характеристик динамического импеданса Zth(s-a), достигающего статической величины Rth(s-a), для обоих способов отвода тепла на примере профиля SEMIKRON Р16 различной длины.

Рис. 6. Характеристика теплового импеданса Zth(s-a)(t) при различной длине профиля Р16 и разном количестве источников тепла n:
a) режим естественного охлаждения;
б) режим принудительного воздушного охлаждения
Типы охлаждающих профилей
Материал теплоотвода должен иметь высокий коэффициент теплопроводности λ и при этом обладать хорошей способностью к механообработке, а также разумной ценой. Алюминий и его сплавы имеют лучшее соотношение этих показателей (λ = 247 Вт/К·м для чистого Al), поэтому на практике они используются чаще всего. Гораздо реже радиаторы изготавливаются из более дорогой меди, имеющей лучшую теплопроводность (λ = 398 Вт/К·м). Качество распределения тепла в высокой степени зависит от способа производства и качества сплава; на практике параметр λ лежит в пределах от 150 Вт/К·м (литейный сплав алюминия) до 220 Вт/К·м (штампованный сплав AlMgSi). Этот показатель заметно влияет на эффективность работы теплостока, поэтому для каждого конкретного применения необходимо находить оптимальное сочетание толщины базы, а также количества и размера ребер с учетом следующих факторов:
- тепло распространяется в базовой (неоребренной) части радиатора, имеющей монтажную поверхность для установки силовых модулей;
- ребра используются для рассеяния основной части тепла в окружающую среду за счет конвекции.
Оптимальные условия работы профиля для принудительного воздушного охлаждения, сочетающие теплопроводность и конвекцию, могут обеспечиваться за счет конструкции ребер, что отражается в следующей формуле:

где k = h√aU/λA; α — коэффициент теплопередачи; U — длина окружности ребра; λ — коэффициент теплопроводности материала радиатора; А — площадь сечения ребер; h — высота ребра.
Основные характеристики двух типов теплостоков, отличающихся размерами базы и ребер, приведены в таблице 2.
Тонкая база, много ребер | Толстая база, мало ребер |
![]() |
![]() |
Меньше тепловое сопротивление Rth(s-a) | Больше тепловое сопротивление Rth(s-a) |
Ниже стойкость к перегрузкам (например, для насосов) | Выше стойкость к перегрузкам (например, для лифтов) |
Низкая тепловая постоянная | Высокая тепловая постоянная |
Хуже распределение тепла | Лучше распределение тепла |
Высокий перепад давления — меньше расход воздуха | Низкий перепад давления — выше расход воздуха |
Подвержен загрязнению | Менее подвержен загрязнению |
Отметим, что стандартные штампованные радиаторы не способны обеспечить мощностные и токовые характеристики IGBT новых поколений. Значение теплового сопротивления «радиатор — окружающая среда» Rth(s-a) 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. 7б, 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. 7. Формы ребер радиатора:
а) классическая;
б) двойное оребрение (профиль Р16);
в) комбинированная (профиль Р308)
Перепад давления и объем воздуха
На величину Rth(s-a) влияет объем воздушного потока, проходящий в единицу времени Vair/t и зависящий от скорости воздуха vair и площади сечения А оребренной части:

Предполагается, что охлаждающая среда идет через теплосток в виде ламинарных слоев, хотя на самом деле вокруг ребер образуются завихрения воздуха, и наличие турбуленции улучшает отвод тепла. Это состояние не является статическим, однако формирование турбулентных потоков снижает и динамический тепловой импеданс Zth. На рис. 6 показаны кривые Zth профиля Р16 для режимов естественного и принудительного охлаждения, продолжающиеся до величины Rth(s-a). Как видно из графиков, тепловая постоянная также изменяется существенно: если при естественной конвекции статическое значение достигается через 2000–3000 с, то в случае принудительного охлаждения установившееся состояние наступает после 200–300 с.

Рис. 8. Характеристические кривые вентилятора SKF16B и профиля Р16 различной длины
Увеличение количества ребер и их ширины уменьшает площадь сечения радиатора, а с ростом его длины возрастает перепад давления Δp и снижается объемный расход воздуха, что является обратным эффектом расширения охлаждающей поверхности. Поэтому каждый вентилятор имеет оптимальный режим работы, зависящий от сечения и длины радиатора, а также объема потока охлаждения. Эффективность отвода тепла зависит от свойств вентилятора, описываемых так называемой характеристической кривой Δp = f(Vair/t), показанной на рис. 8. Зона пересечения характеристики вентилятора и кривой падения давления радиатора Δp = f(Vair/t, L) определяет объемный расход воздуха в рабочей точке. Кривую вентилятора следует наносить на график с учетом допуска питающего напряжения (например, 230 В ±10%), поскольку даже при минимальной интенсивности потока (при минимальном напряжении) эффективность охлаждения должна быть достаточной. Тепловое сопротивление радиатора Rth(s-a) является функцией объемного расхода воздуха (или жидкости в жидкостных системах охлаждения), как показано на рис. 9.

Рис. 9. Характеристическая кривая профиля Р16 в зависимости от интенсивности охлаждения
Вблизи рабочей точки величина Rth(s-a) может быть определена в функции объемного расхода V в соответствии с эмпирическим выражением:

где К = 0,7–0,9.
Типы вентиляторов
В зависимости от типа теплостока и режима работы используются следующие типы вентиляторов (рис. 10):
- Осевые. Ось вращения аксиального ротора расположена параллельно потоку воздуха, который движется вдоль ротора, работающего как пропеллер. К достоинствам можно отнести относительно малые габариты при высокой интенсивности охлаждения, недостатком является необходимость создания более высокого давления (по сравнению с радиальными типами).
- Радиальные или центробежные. В отличие от осевых, радиальные вентиляторы используются в тех случаях, когда важно обеспечить больший перепад давления при том же объеме охлаждающей среды. Воздух всасывается параллельно оси вала, отклоняется под углом 90° за счет вращения ротора и далее выдувается наружу в радиальном направлении. Чтобы минимизировать потери давления, вызванные высокой выходной скоростью воздуха, используются различные виды коробов, диффузоров и т. д.
- Диаметральные или поперечно-поточные. Диаметральные вентиляторы имеют единый заборный и выбрасывающий канал, расположенный по всей длине устройства. Воздух всасывается в полость ротора через входное отверстие, где он завихряется, изменяет направление и далее выбрасывается наружу равномерным потоком. Вентиляторы данного типа обеспечивают высокую интенсивность охлаждения даже при низкой скорости потока, они также отличаются малым уровнем шумов.

Рис. 10. Типы вентиляторов:
a) осевой;
б) радиальный;
в) поперечно-поточный;
г) сборка 3-фазного выпрямителя (три полумостовых диодно-тиристорных модуля на теплостоке Р16) с радиальным вентилятором
Количество рассеиваемого системой охлаждения тепла зависит от атмосферного давления и плотности воздуха, которая падает с увеличением высоты над уровнем моря. При уменьшении плотности ухудшаются отвод тепла и интенсивность работы радиатора, для учета этих факторов необходимо корректировать значение Rth в соответствии с таблицей 3. Аналогичные ограничения действуют в отношении жидкостных систем в случае, если для охлаждения жидкости используется воздушный теплообменник.
Высота над уровнем моря, м | Относительное снижение эффективности | Корректирующий коэффициент для Rth(s-a) |
0 (уровень моря) | 1 | 1 |
1000 | 0,95 | 1,05 |
1500 | 0,9 | 1,11 |
2000 | 0,86 | 1,16 |
3000 | 0,8 | 1,25 |
3500 | 0,75 | 1,33 |
Жидкостное охлаждение в силовой электронике
Жидкостное охлаждение обладает наивысшими возможностями по рассеянию тепла, генерируемого полупроводниковыми приборами. Основные параметры преобразователей, позволяющие в первом приближении выбрать способ отвода тепла, приведены в таблице 4. Кроме конвертеров высокой мощности, данный способ отвода тепла применяется в системах, имеющих штатный контур циркуляции охлаждающей жидкости (автомобили, индукционные нагреватели, гальванические ванны).
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 |
Дополнительные расходы | Вентилятор | Компрессор, тосол, шланги, патрубки |
В случае, когда тепло из охладителя рассеивается непосредственно в атмосферу, допустимая температура воды (тосола) находится в диапазоне +50…+70 °С. В промышленных установках, использующих активные теплообменники, этот диапазон составляет +15…+25 °С.
Использование жидкостного охлаждения снижает перепад температуры между поверхностью радиатора и охлаждающей средой, что позволяет увеличить плотность мощности (при одновременном росте перегрева кристаллов и градиента термоцикла ΔTj) или снизить нагрев чипов и, соответственно, повысить ресурс.
На тепловое сопротивление жидкостных радиаторов и эффективность охлаждения влияют следующие факторы:
- объемная скорость потока жидкости как функция перепада давления;
- наличие турбулентности в каналах охлаждения;
- эффективная площадь охлаждения (количество каналов в радиаторе);
- теплоемкость охлаждающей жидкости, а также ее плотность и вязкость (например, при изменении соотношения вода/гликоль с 50:50 до 90:10% тепловое сопротивление снижается на 35–45%);
- тепловые свойства материала радиатора (например, тепловое сопротивление медных радиаторов примерно на 20% ниже, чем алюминиевых).
Увеличение эффективной площади контакта радиатора и жидкости улучшает теплопередачу. У обычных радиаторов величина контактной поверхности определяется, прежде всего, количеством каналов. Современные игольчатые теплоотводы отличаются большей эффективностью не только за счет расширения зоны контакта, но и благодаря образованию турбулентных потоков вокруг иголок (рис. 11).

Рис. 11. Использование игольчатой поверхности для увеличения площади теплопередачи:
а) структура;
б) вид охлаждающей поверхности
При отсутствии турбуленции на поверхности гладких каналов формируется малоподвижная пленка жидкости, что заметно ухудшает отдачу тепла. Эта проблема решается с помощью так называемых «турбулизаторов» (рис. 12), запатентованных компанией SEMIKRON. Суть метода состоит в размещении цилиндрических спиралей в каналах охлаждения. Они разрывают пленку на стенке канала и создают вихревые потоки жидкости, в результате чего тепловое сопротивление радиатора снижается на 15–20%.

Рис. 12. Спиральная пружина-турбулизатор (патент SEMIKRON) повышает эффективность охлаждения на 15–20%
Равномерное распределение силовых ключей по поверхности радиатора при жидкостном охлаждении играет еще большую роль, чем при воздушном. Благодаря высокому коэффициенту теплопередачи (порядка 1000 Вт/м2·К) тепло отдается в охлаждающую жидкость с незначительными потерями. Это означает, что для охлаждения используются только те области монтажной поверхности, где установлены полупроводниковые компоненты. Использование меди в качестве материала радиатора позволяет снизить объемное сопротивление, улучшить перекрестную тепловую связь и, следовательно, увеличить эффективную площадь охлаждения. Для стандартных модулей IGBT снижение теплового сопротивления при этом составляет примерно 20%.
На величину Rth(s-a) влияет температура охлаждающей жидкости, особенно ярко эта зависимость проявляется для водно-гликолевой смеси (антифриза), что обусловлено вязкостью гликоля, а также, хотя и в меньшей степени, изменением плотности среды. При соотношении 50:50% в диапазоне температур +10…+70 °С тепловое сопротивление Rth(r-a) «термодатчик — охлаждающая жидкость» снижается примерно на 25% (рис. 13).

Рис. 13. Зависимость теплового сопротивления от температуры входящей жидкости (радиатор NHC152 и термодатчик модуля SKiM 459GD12E4)
В замкнутых контурах охлаждения перемещение антифриза может происходить за счет силы тяжести (нагретая жидкость, имеющая меньшую плотность, поднимается к теплообменнику, а охлажденная опускается к источнику тепла), такая схема носит название термосифон. Однако в большинстве случаев, особенно в системах высокой мощности, циркуляция жидкости осуществляется с помощью насоса. Скорость потока при этом определяется мощностью помпы, ее увеличение позволяет снизить величину Rth(s-a), однако при этом соответственно растет и перепад давления.
Приведенные на рис. 14 размеры радиаторов (270 и 390 мм) включают концевые детали (90 мм) для подключения штуцеров. Как видно на графиках, при увеличении длины на 66% (с 180 до 300 мм) перепад давления возрастает только на 15%, т. к. основная часть перепада обусловлена именно концевиками. В этом нет ничего удивительного, поскольку в месте их подключения происходит сужение сечения и изменение направления потока жидкости. Для увеличения объемного расхода при использовании насоса ограниченной мощности следует выбирать радиатор с большим диаметром каналов. Кроме того, необходимо по возможности обеспечить следующие характеристики контура охлаждения:
- отсутствие сужения поперечного сечения радиатора;
- отсутствие перепускных клапанов;
- минимальное количество изменений направления и искривлений потока.

Рис. 14. Перепад давления на радиаторе NWK 40 (модуль SKiiP 3) в зависимости от объемного расхода жидкости (смесь 50:50%, диагонально-оппозитное расположение входного и выходного штуцера, Ta = +55 °C)
Модули SKiiP, имеющие в своем составе жидкостный радиатор (версия W), проходят тест на герметичность при давлении 6 бар при рекомендуемом эксплуатационном значении 2 бар. Зависимость теплового сопротивления Rth от скорости потока V является нелинейной (рис. 15), как правило, в реальных системах она определяется экспериментально. В области рабочей точки соотношение величин Rth при изменении скорости охлаждения V может быть определено следующим образом:

где К = 0,3–0,5.

Рис. 15. Тепловое сопротивление в зависимости от объемного расхода жидкости радиатора NWK 40 (водно-гликолевая смесь 50:50%)
Продолжени:
- Arendt Wintrich, Ulrich Nicolai, Werner Tursky, Tobias Reimann. Application Notes for IGBT and MOSFET modules. SEMIKRON International, 2010.
- Колпаков А. Контрольная точка // Электронные компоненты. 2005. № 6.
- Schultz-Harder J. Liquid cooling in high density packages. http://www.curamik.com Freyberg M., Scheuermann U. Measuring Thermal Resistance of Power Modules // PCIM Europe journal. 2003.
- Calculation of the Maximum Virtual Junction Temperature Reached Under Short-time or Intermittent Duty. IEC 60747-6 by SEMIKRON.
- Колпаков А. Охлаждение в системах высокой мощности // Силовая электроника. 2010. № 3.