ООО «СКБ «Протон» разрабатывает и изготавливает жидкостные охладители силовых полупроводниковых приборов для применения в составе преобразовательной техники различного назначения.

Водяное охлаждение силовых модулей может быть применено как для инверторов с очень высокими мощностями (мегаваттного диапазона), так и для небольших преобразователей частоты устройств, которые в силу своей конструкции уже имеют водяной контур (например автомобили, индукционные нагреватели и т.п.). В большинстве случаев максимальная температура хладагента достигает 50…70ºС при рассеянии тепла непосредственно в атмосферу; на промышленных предприятиях с активными теплообменниками, температура хладагента составляет 15…25ºС. Разница в температурах поверхности охладителя и хладагента, которая существенно ниже для водяного охладителя чем для воздушного, может быть использована двумя способами:

• для увеличения плотности мощности, но с большими динамическими вариациями температуры кристаллов за период нагрузки, или
• для снижения температуры кристалла и увеличения срока службы.

Рисунок 1 показывает пример водяного охлаждения 6-сегментного модуля SKiiP на водяном охладителе.

Следующие факторы влияют на тепловое сопротивление жидкостного охладителя:

• площадь поверхности контакта с хладагентом (число каналов охлаждения);
• объемный поток хладагента за единицу времени как функция падения давления;
• теплоемкость хладагента;
• турбулентность потока воды;
• потоки и распределение тепла в охладителе (материале охладителя);
• температура хладагента (в зависимости от вязкости и плотности).

Увеличение площадь контакта между охладителем и хладагентом приводит к улучшению передачи тепла. Традиционные охладители имеют ограничение в части числа каналов охлаждения. Игольчатые охладители представляют собой пластину со множеством небольших цилиндров, расположенных в хладагенте, что увеличивает площадь контакта и обеспечивает существенную турбулентность.

Определенная форма жидкостного охладителя и достаточная скорость потока создают турбулентность, которая существенно снижает тепловое сопротивление между охладителем и жидкостью (см. так же спиральные вставки на рисунке 6). Без турбулентности на поверхности охладителя создается пленка жидкости, которая затрудняет теплопередачу.

Даже более чем в воздушных охладителях, правильное распределение источников тепла по поверхности охладителя важно для снижения теплового сопротивления. Из-за высокого коэффициента теплопередачи около 1000 Вт/(м²К), тепловой поток передается охлаждающей жидкости на маленьком сечении. Это приводит к тому, что только те зоны, где расположены силовые модули участвуют в охлаждении. Замена алюминия на медь снижает объемное тепловое сопротивление, увеличивает сечение теплопередачи и эффективную поверхность теплообмена. Применение меди вместо алюминия приводит к снижению R_th(j-a) примерно на 20% для стандартного IGBT модуля.

Rth(s-a) зависит от температуры хладагента, особенно в водно-гликолевых смесях. Это происходит из-за того, что изменяется вязкость гликоля и плотность хладагента, хотя и в меньшей степени. Для смести 50% гликоля с 50% воды в диапазоне температур от 10ºС до 70ºС обнаружено, что R_th(r-a) снижается примерно на 25% между датчиком температуры и хладагентом.

Рисунок 3. Зависимость теплового сопротивления охладителя от температуры хладагента на входе

Падение давления и объем воды, давление гидравлических испытаний

В замкнутом цикле, поток жидкости от источника тепла и назад может быть организован за счет гравитации (нагретая жидкость имеет меньшую плотность, таким образом поднимаясь к теплообменнику; более холодная вода спускается вниз к источнику тепла — термосифонное охлаждение). Во многих случаях, однако, для обеспечения циркуляции жидкости применяются насосы и мощность насоса может быть использована для обеспечения протекания через охладитель заданного объема жидкости. Увеличение объемного потока жидкости снижает тепловое сопротивление, но при этом возрастает падение давления хладагента на охладителе.

Рисунок 4. Падение давления на водяном охладителе для 2-х различных длин (включая 90 мм концевые элементы) зависит от объемного потока хладагента (водно-гликолевой смеси 50%:50% при диагонально противоположных входе и выходе и температуре T_a=55ºС)

Длина на рисунке 4 определяется длиной части охладителя с охлаждающим профилем с учетом концевых элементов, не имеющих охлаждающего профиля, например …/390 подразумевает 300 мм охлаждающего профиля и 90 мм концевых элементов. График на рисунке 4 показывает, что увеличение длины охлаждающего профиля на 66%, с 180 до 300 мм увеличивает падение давления всего лишь на 15%. Следовательно, основная часть падения давления возникает за счет концевых элементов. Это не удивительно, поскольку в концевых элементах и штуцерах происходит снижение проходного сечения и изменение направления потока, которые приводят к падению давления. Для обеспечения прокачки большего объема жидкости через цепь охлаждения при сохранении разумной мощности циркуляционного насоса необходимо увеличивать диаметр труб. Кроме этого, необходимо руководствоваться следующими правилами при устройстве систем жидкостного охлаждения:

• не снижать проходное сечение;
• избегать установки обратных клапанов;
• снизить до минимума количество изменений направления потока (заворотов).

Рисунок 5. Тепловое сопротивление в зависимости от объемного потока жидкости черех охладитель для различных длин и 50:50 водно-гликолевой смеси

Система SKiiP, поставляемая SEMIKRON подвергается гидравлическим испытаниям при давлении 6 бар, а рекомендуемое рабочее давление составляет 2 бара. В окрестности рабочей точки Rth(s-a) может быть определено через объемный поток жидкости в соответствии со следующим уравнением:

где К = 0,3…0,5

Хладагент, цепь охлаждения и химические требования

Обычная среда для передачи тепла, используемая в жидкостных охладителях — это водя или водо-гликолевая смесь (антифриз). Реже используется деионизированная вода или диэлектрическое масло (флуороуглероды или PAO — синтетические гидроуглероды). Из-за высокой теплоемкости (теплоемкость воды составляет с_р = 4.187 Дж/г·К) для целей охлаждения лучше применять воду, а не масло или гликоль. Вода может быть использована в замкнутой системе охлаждения и охлаждаться при помощи теплообменника, или может быть использована так называемая свежая вода, которая сбрасывается в окружающую среду после прохождения через теплообменник. Деионизированная вода, характеризующаяся низкой электропроводностью может быть использована в замкнутых системах. В противоположность этому, «свежая» вода имеет существенную проводимость, но это не так существенно для полупроводниковых приборов с внутренней изоляцией, поскольку в этом случае охлаждающая вода не находится под напряжением, в противоположность неизолированным компонентам.

Очень важно выбрать жидкость, которая совместима с системой охлаждения и обеспечивает защиту от коррозии или минимальный риск коррозии. Для обеспечения защиты от коррозии водяных охладителей SEMIKRON требуется использовать водно-гликолевую смесь с количеством гликоля не менее 10%. Изготовители незамерзающих смесей настаивают даже на большем содержании гликоля для того, чтобы гарантировать необходимую концентрацию ингибиторов коррозии цветных металлов. Степень жесткости охлаждающей воды не должна превышать 6. По крайней мере для температур хладагента более 60ºС рекомендуется использовать замкнутую систему охлаждения. Некоторые из объяснений и таблиц в настоящей статье разработаны на основе руководства по применению компании Lytron Inc. Таблица 3 дает рекомендации по совместимости металлов с хладагентами в системах жидкостного охлаждения.

	Вода	Гликолевые смеси	Деионизированная вода	Непроводящие жидкости (флуороуглероды, PAO)
Медь	X	X		X
Алюминий		X		X
Нержавеющая сталь	X	X	X	X

Таблица 3. Совместимость материалов охладителей и хладагентов

Свежая вода

Вода является самой эффективной охлаждающей жидкостью из-за высокой теплоемкости. При использовании воды рекомендуется применять замкнутые системы, поскольку в зависимости от химического состава, свежая вода или водопроводная вода могут вызвать коррозию материала охладителя. Хлориды, которые обычно содержатся в водопроводной воде, является чрезвычайно коррозионно активным. Свежая вода не должна использоваться для водяного охлаждения, если она содержит более 25 ppm (частиц вещества на миллион частиц воды) хлоридов или сульфатов. Содержание кальция и магния так же должно нормироваться, поскольку оба минерала вызывают образование налета на поверхностях, снижая таким образом эффективность охладителей (рисунок 6).

Минерал	Рекомендованное содержание
Кальций	< 50 ppm
Магний	< 50 ppm
Хлориды	< 25 ppm
Сульфаты	< 25 ppm

Деионизированная вода

Деионизированная вода очищена от ионов, таких как натрий, кальций, железо, медь, хлориды, бромиды. Процесс деионизации убирает вредные минералы, соли и другие загрязнения, которые могут вызывать коррозию или образование налета. По сравнению с водопроводной водой и большинством других жидкостей, деионизированная вода имеет высокое электрическое сопротивление и является хорошим изолятором. Но она очень легко становиться кислотной при соприкосновении с воздухом. Двуокись углерода, содержащаяся в воздухе растворяется в воде, что приводит к возникновению кислотного pH величиной около 5.0. В связи с этим, клапаны компенсации давления должны быть изолированы от воздуха при помощи мембран, что ограничивает диапазон изменения температуры хладагента. Кроме этого, может потребоваться использовать антикоррозионные присадки с деионизированное водой, а штуцеры и другие соединительные элементы должны быть покрыты никелем. Медные трубки не рекомендуется применять с деионизированной водой, рекомендуется применение труб из нержавеющей стали.

Ингибированный гликоль и водные растворы

Из-за коррозионного действия воды и необходимости устойчивости к замерзанию открытые и замкнутые системы с чистой водой используются крайне редка. Вода с этиленгликолем (EWG) и вода с пропиленгликолем (PWG) являются наиболее часто используемыми решениями для применений с жидкостным охлаждением. Этиленгликоль имеет хорошие тепловые свойства, такие как высокая точка кипения, низкая точка замерзания, стабильность в широком диапазоне температур и относительно высокая теплоемкость и теплопроводность. Он так же имеет низкую вязкость, что снижает требования к системе трубопроводов в части гидравлического сопротивления. PGW используется в применениях, когда токсичность может вызвать проблемы. Однако, гликоль, применяемый в автомобильных антифризах нельзя использовать в системах водяного охлаждения и теплообменниках, поскольку он содержит ингибиторы коррозии на основе силиката. Эти включения могут стать твердыми и вызвать отложения на поверхностях теплообменников и снизить их эффективность. Растворы гликоля должны готовиться с антикоррозионными присадками.

При добавлении гликоля теплоемкость хладагента снижается (например при добавлении 50% гликоля и температуре хладагента 40ºС теплоемкость составит 3,4 Дж/кг·К). Поскольку вязкость и удельная плотность хладагента увеличиваются, тепловое сопротивление охладителя R_th(s-a) увеличится существенно с увеличением доли гликоля. По сравнению с чистой водой, 10% гликоля приведет к увеличению R_th на 15%, а добавление 50% гликоля вызовет увеличение теплового сопротивление на 50…60%. Если содержание гликоля достигнет 90%, R_th удвоится. Во всех этих рассуждениях следует делать поправку на организацию потока и температуру хладагента.

Рисунок 7. Влияние отношения вода-гликоль на R_th(s-a) при различных скоростях потока

Пространственное положение и дренирование охладителей

При создании систем водяного охлаждения необходимо избегать блокировки потока хладагента пузырьками воздуха. В связи с этим наилучшим вариантом являются вертикальные каналы, а самым плохим вариантом являются горизонтальные каналы один над другим, поскольку верхние каналы собирают пузырьки воздуха.

Наиболее предпочтительным является направление движения хладагента — вверх со входом снизу и выходом сверху шкафа управления. Петли в потоке воды, т.е. повороты «вверх и вниз» увеличивают риск образования пузырьков. В этом случае, дренажные клапаны должны быть установлены в системе охлаждения над силовыми полупроводниками и после заполнения охладителя жидкостью необходимо выполнить прогон жидкости с наибольшим расходом в течении длительного периода времени (более 30 минут) без работы системы под нагрузкой. Повышенный объемный расход хладагента может убрать образовавшиеся пузырьки воздуха, которые могли образоваться при установке системы.

При разработке параллельных ветвей охлаждения необходимо добиться, чтобы падение давления было одинаковым во всех параллельных ветвях (одинаковое число и длина охладителей, труб, число и направление каналов). Должна учитываться инерционность воды в направлении потока, поскольку поток сохраняет свое направление даже если отворот имеет ту же длину пути. Для подачи воды в параллельные цепи необходимо использовать дефлекторы.

Другие варианты жидкостного охлаждения

Микроканалы

Охладители с микроканалами являются специальным видом жидкостных охладителей (Рисунок 10). Микроканальные охладители изготавливаются по технологии DBC (Direct Bound Copper — прямо присоединенная медь) из нескольких перфорированных листов меди, вставленных между двумя слоями керамической подложки DBC. Листы меди перфорированы со смещением. В керамической подложке нижнего слоя выполняются отверстия для входа и выхода жидкости. 

Из-за смещения в перфорации медных листов в пакете турбулентный поток создается даже при небольшом потоке хладагента, что обеспечивает хорошие характеристики теплопередачи от охлаждаемого компонента охлаждающей жидкости. Недостатком такого микроканального охладителя является риск того, что каналы могут забиться грязью или покрыться налетом и в охлаждаемом компоненте появятся зоны перегрева.

Рисунок 10. Эскиз сечения микроканального охладителя

Охлаждение с изменением фазы хладагента

Охлаждение с фазовым переходом использует тот факт, что на испарение и переход жидкости в газообразное состояние требуется определенное количество тепла (теплота парообразования). При конденсации газа это количество тепла снова выделяется. При проведении цикла испарения-конденсации в замкнутом сосуде можно передавать достаточно большие количества тепла от точки парообразования к точке конденсации. При этом тяготения и капиллярного эффекта достаточно, чтобы обеспечить движение хладагента, что исключает необходимость принудительной циркуляции при помощи насосов. Данный метод охлаждения с фазовым переходом используется в различных системах охлаждения.

Испарительное охлаждение

Хладагент испаряется в горячей точке, например на силовом модуле, пузырьки газа поднимаются и конденсируются на более холодном корпусе или в отдельном конденсаторе (Рисунок 11).

ВНИМАНИЕ: При очень высокой плотности теплового потока на поверхности источника тепла может образоваться слой пара. Это нарушит тепловой контакт между источником тепла и жидкостью, что приведет к мгновенной остановке охлаждения (эффект Лейденфроста).

Рисунок 11. Эскиз испарительного охладителя

Охлаждение струей или взвесью жидкости

Этот метод охлаждения использует принцип распыления жидкого хладагента на поверхность в виде капель или струей (Рисунок 12). До некоторой степени в этом методе так же используется испарение теплоносителя. Такой способ охлаждения может быть как односторонним, так и двусторонним. Теплоноситель испаряется на нагретой поверхности и конденсируется на более холодной поверхности. Обычно хладагент является инертной жидкостью, такой как составы флуорированных гидрокарбонов с различными точками кипения. Воду нельзя использовать для непосредственного распыления на кристалл, поскольку ее проводимость слишком возрастает даже после короткого использования и это может вызвать замыкание между гранями кристалла.

Более предпочтительным является вариант, когда теплоноситель попадает непосредственно на кристалл, поскольку это приводит к быстрой передаче тепла хладагенту непосредственно в точке, где оно создается. Недостатком этого метода является меньшая удельная теплоемкость парообразования флуорированных гидрокарбонов, более сложная система охлаждения, более высокое давление от 3 до 15 атмосфер в системе охлаждения и высокий риск засорения распылительной форсунки, диаметр которой должен составлять около 0,1 мм. Другой проблемой являются плотно уложенные проводники, подходящие к кристаллу, которые часто мешают прямому распылению теплоносителя непосредственно на кристалл.

Рисунок 12. Принципы распылительного (а) и струйного (b) охлаждения

Прямое охлаждение основания модуля

Этот метод охлаждения исключает тепловое сопротивление охладителя и слоя пасты между модулем и теплоносителем за счет непосредственной установки силового модуля основанием в проем охладителя. Необходимое уплотнение обеспечивается резиновым кольцом. Этот метод позволяет снизить R_th(j-a) примерно на 25%.

Возможны два способа реализации этого метода охлаждения: изготовление основания модуля игольчатого типа для увеличения поверхности контакта с теплоносителем, что более эффективно, но и сопряжено с большими затратами. Второй способ, которому компания Danfoss дала название «ShowerPower(r)» заключается в размещении под модулем пластиковой вставки со множеством параллельных каналов, которые создают турбулентный поток в направлении, перпендикулярном основанию модуля, что обеспечивает хорошее однородное охлаждение (Рисунок 13). Преимуществом последнего решения является низкая стоимость изготовления пластиковой вставки по сравнению с игольчатым основанием, а недостатком является сниженная поверхность контакта модуля с теплоносителем и большее падение давления.