冷卻裝置、冷卻介質(zhì)和冷卻方法

admin 2011-08-23

8.1 冷卻裝置、冷卻介質(zhì)和冷卻方法
功率模塊的通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、截止損耗等所產(chǎn)生的溫升須由散熱器來降低。散熱器的作用是增加功率模塊的傳熱和輻射面積、擴(kuò)張熱流以及緩沖傳熱過程。
基于模塊的絕緣性能，一個系統(tǒng)的所有功率模塊都可安裝在一塊共同的散熱器上，該散熱器同時還可當(dāng)作結(jié)構(gòu)部件，實(shí)現(xiàn)其他的功能(外殼、底座等)。
散熱器的散熱過程為：通過直接傳導(dǎo)或借助于傳熱介質(zhì)將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)。
傳熱介質(zhì)可以是空氣、水或者(在極少數(shù)情況下)絕緣油，通過其自身的重力或通過風(fēng)扇以及泵來實(shí)現(xiàn)循環(huán)傳熱過程。
冷卻介質(zhì)可以是自然或被強(qiáng)制流動的空氣、水及其混合液。
下面將主要討論自然空氣冷卻(自然對流)、強(qiáng)制空氣冷卻以及僅含一種冷卻介質(zhì)的水冷系統(tǒng)。其他更為復(fù)雜的冷卻方式，象熱管或蒸發(fā)冷卻，一般來說需要針對具體的應(yīng)用做特別的沒計。另外，在功率模塊中油冷也幾乎很少被用到。
在材料費(fèi)用和加工費(fèi)用允許的情況下，散熱器材料應(yīng)該具有盡可能好的導(dǎo)熱系數(shù)λ。因此，金屬鋁(純鋁λ=247W／m•K)通常是優(yōu)先被采用的材料。在要求特別高的場合有時也可以采用銅(λ=398W／m•K)。
值得注意的是導(dǎo)熱系數(shù)與制造工藝以及所采用的合金有很大的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)λ大致在150W／m•K(鑄造鋁合金)和220W／m•K(AIMgSi擠壓成型)之間。

熱量的擴(kuò)散對散熱器的散熱效率有著可觀的影響。因此，對散熱器根部厚度的優(yōu)化、翼片的數(shù)目、翼片的高度以及翼片的厚度之間比例的合適選取顯得相當(dāng)重要：
1)散熱器的根部是用于安裝功率模塊的、不含分岔的平面區(qū)域。該處與模塊底板之間的溫度梯度相對較小，有著明顯的熱擴(kuò)散作用；
2)對于空氣冷卻散熱器來說，其大部分熱量是通過翼片以輻射和傳導(dǎo)的方式傳遞到周邊環(huán)境的。而對于水冷散熱器來說，這一作用或多或少地是由具有特定結(jié)構(gòu)的水通道來實(shí)現(xiàn)的。
由 Rthha=△T/Ptot=1/（αA） (40)
可得到 Q=αA△T=Ptot
式中：Q為散發(fā)的熱量；
α為傳導(dǎo)系數(shù)；
A為傳熱面積；
ΔT為與環(huán)境溫度之間的溫度差；
Ptot為需要帶走的損耗；
Rthha為散熱器的熱阻。
如果采用較多的翼片，便可以增大傳熱面積，但前提是能夠保證流體的順暢流動，否則α會超比例下降。
從這一結(jié)論出發(fā)，自然冷卻和強(qiáng)制冷卻的優(yōu)化條件便有所不同。
當(dāng)功耗增加時，散熱器溫度增高，受熱也就更加均勻。也就是說，有效熱交換的面積在增加。
8.2 冷卻裝置的傳熱模型
在介紹功率模塊的熱性能時，等效熱路中的散熱器是由一個RC元件來描述的(Rthha，Zthha）。
然而，當(dāng)功耗在t=0時刻從P=0跳躍到P=Pm時，散熱器的動態(tài)熱抗Zthha隨時間t而變化的特性曲線顯示出其具有多個時間常數(shù)。系統(tǒng)總熱抗的特性曲線Zthha(t)可以通過將功率模塊的熱抗與模塊一散熱器的熱抗相迭加而得到。

8.3 自然空冷(自然對流)
自然空冷多用于功耗低于50W的系統(tǒng)，以及不允許應(yīng)用風(fēng)扇或者器件的散熱面積特別大的大功率系統(tǒng)。
一般來說，在自由對流時散熱器的熱阻往往大于功率模塊的內(nèi)部熱阻。所以，芯片與冷卻空氣之間的溫度差大部分降落在散熱器上。在接近模塊的散熱器處的溫度，常常高于強(qiáng)制風(fēng)冷時的溫度，例如，在90℃到100℃之間。由于功耗通常比較小，所以根部和翼片相對較薄，而且材料的傳導(dǎo)系數(shù)對熱性能的影響不是十分重要。翼片之間的距離應(yīng)當(dāng)足夠地大，以便在空氣的升力(溫度差／密度)和摩擦力之間取得較好的折衷。將散熱器表面黑化可以有效地改善熱輻射性能。在安裝面和環(huán)境空氣之間的溫度差為50 K時，黑化后的散熱器熱阻約降低15％。值得注意的是，上述表面處理并不影響模塊底板和散熱器之間的傳熱界面。
8.4 強(qiáng)制風(fēng)冷
與自然空冷相比較，強(qiáng)制風(fēng)冷時散熱器的熱阻可降低到1／5~1／15。
同自由對流相比，強(qiáng)制風(fēng)冷時的α明顯要大許多。當(dāng)空氣的入口溫度為35℃時(參數(shù)表中的額定環(huán)境溫度)，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器的表面溫度在額定運(yùn)行時不應(yīng)該大于80℃到90℃。
散熱器材料的傳導(dǎo)系數(shù)對冷卻的效果影響極大。因此，建議選擇較厚的根部和盡可能多的翼片數(shù)目。由于熱量主要通過對流而散發(fā)，所以對于強(qiáng)制空冷來說，對散熱器進(jìn)行黑化處理幾乎沒有什么效果。
熱阻Rthha主要由單位時間內(nèi)通過的氣流量Vair/t所決定。而氣流量則依賴于冷卻介質(zhì)的平均速度Vair和流通截面A。
Vair/t=VairA (41）
在這里假定氣體的流動為層流。實(shí)際上，如果翼片表面的設(shè)計合適，在翼片表面附近的空氣渦流會在翼片中形成紊流，從而地一步改善熱傳導(dǎo)的效果。
當(dāng)翼片數(shù)目和翼片寬度進(jìn)一步增加時，散熱器的流通面積減小，冷卻介質(zhì)的壓力降△p增加。這同增加散熱器的長度(翼片長度L)是一樣的。因此，傳熱的效果還與風(fēng)扇的性能有關(guān)。圖53給出了風(fēng)扇的特性△p=f（Vair/t）。
由風(fēng)扇的特性和散熱器的壓差曲線△p=f（Vair/t，L）或△p=f（Vair，L）可以得到空氣的流量，如圖54所示。它們的交點(diǎn)決定了散熱器的熱阻。

除了空氣的流量以外，Rthha還取決于散熱器上熱源(功率模塊)的分布及其位置。
如果需要對強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱器剖面進(jìn)行優(yōu)化，則可以將其熱傳導(dǎo)與熱對流的函數(shù)對翼片的高度進(jìn) 積分。經(jīng)簡化后可以得到式(42)

α為對流系數(shù)；
U為翼片的周長；
λ為散熱器的熱傳導(dǎo)系數(shù)：
A為翼片的截面；
h為翼片的高度。
常常有數(shù)個散熱器共用一個風(fēng)扇的情形。在此情形下，散熱器既可以并聯(lián)(散熱器左右相鄰)，又可以串聯(lián)(散熱器在空氣流動方向上前后相接)。
尤其是在熱串聯(lián)的情形下，例如，用標(biāo)準(zhǔn)GB電路(半橋模塊)的SKiiPPACK構(gòu)成三相逆變器時，需要在傳熱設(shè)計中特別注意冷卻空氣會被前置的SKiiPPACK所加熱。
作為經(jīng)驗(yàn)值，在空氣流量為300m3／h時，每kW功耗所導(dǎo)致的進(jìn)出口空氣溫差可達(dá)10℃左右。
8.5 水冷
對于功率模塊進(jìn)行水冷既可以用于特大功率的變流器(MW級)，又可以用于較小的功率，條件是系統(tǒng)本身已經(jīng)提供了循環(huán)水的裝置(例如，汽車驅(qū)動、電解裝置、感應(yīng)加熱等)。
如果冷卻介質(zhì)的熱量被直接釋放到環(huán)境大氣中，則冷卻介質(zhì)的進(jìn)口溫度多為50℃~70℃。在具有主動制冷的工業(yè)裝置中也可以是15℃~25℃。
和空冷相比，散熱器的表面和冷卻介質(zhì)之間的溫差比較小。它可以從兩方面來加以利用：
1)提高功率，在負(fù)載循環(huán)變化時允許芯片產(chǎn)生更大的動態(tài)溫差△Ti；
2)降低芯片的溫度，延長壽命。
由于水具有較大的熱容量(比熱容Cp=4.187kJ／kg•K)，所以它原則上優(yōu)于其他液體介質(zhì)，如油、乙二醇等。
然而，由于水可能會引起生銹和結(jié)凍，所以開放式的或封閉式的純水循環(huán)系統(tǒng)極少被應(yīng)用。
如果將水與醇相混合，則冷卻液的熱容量會下降(當(dāng)入醇量為50％以及流體溫度為40℃時Cp=3.4kj／kS•K)。另外，冷卻液的粘度和比重隨加醇的比例上升而上升，導(dǎo)致散熱器和冷卻液之間的熱阻Rthha急劇增加。例如，同純水相比，含50％醇的冷卻液熱阻會增加約50％~60%；而當(dāng)醇含量為90％，時，熱阻會進(jìn)一步上升60％~70％。
為了防銹的目的，SEMIKRON的鋁制水冷散熱器要求醇的含量不低于10％。冷卻液的硬度不得超過6。當(dāng)冷卻溫度大于60℃時，則建議使用循環(huán)式的冷卻液。
采用水冷時，帶功率模塊或SKiiPPACK的散熱器也叮以串聯(lián)。作為經(jīng)驗(yàn)值，每個散熱器(例如，SEMIKRON用于SKiiPPACK的水冷散熱器)在流量為10L／min以及采用50％／50％的水醇混合液時，每kW功耗的進(jìn)出口溫差約為1.7K。