大功率電子被動冷卻散熱技術(shù)

在最新的GaN 和 SiC組件的推動下，電力電子模塊的尺寸不斷縮小，同時散熱量也在不斷增加。因此，在許多應(yīng)用中，工程師將主動（泵送）水冷卻作為看似顯而易見的解決方案。使用回路熱管 (LHP) 技術(shù)，Cayos 提供了一種被動、可持續(xù)的替代方案，可應(yīng)用于不同行業(yè)的許多熱問題。

在接受電力電子新聞采訪時，Ben Sutton（Calyos 的營銷經(jīng)理）解釋說，回路熱管是一種被動的兩相傳熱裝置。這些系統(tǒng)可以將多個熱源與低質(zhì)量解決方案結(jié)合在一起，該解決方案可以在復(fù)雜的環(huán)境中導(dǎo)航，同時保持能夠冷卻高熱密度組件。

回路熱管適用于惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，可以毫無問題地處理加速度和振動。流體定制允許優(yōu)化操作條件，包括量子計(jì)算機(jī)的低溫應(yīng)用。

技術(shù)

熱管是一種通過工作流體的蒸發(fā)和冷凝，可以在冷熱界面之間以很小的溫差進(jìn)行大量熱量交換的傳熱裝置。

與熱管不同，LHP 內(nèi)的燈芯結(jié)構(gòu)集中在蒸發(fā)器內(nèi)。這種燈芯結(jié)構(gòu)提供毛細(xì)管泵送壓力，將液體推向蒸發(fā)器的底板，在那里它蒸發(fā)并沿蒸汽管線流出。蒸發(fā)器是設(shè)備的核心，包含一個多孔的毛細(xì)管芯結(jié)構(gòu)，通?；诮饘倩蛴袡C(jī)聚合物。

“所以，顯而易見的問題是它的表現(xiàn)如何？”薩頓說。他與我們共享了一系列數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證其系統(tǒng)的性能，因?yàn)槊糠N情況都取決于應(yīng)用程序的具體情況，而且許多項(xiàng)目都是保密的。薩頓補(bǔ)充道：“用外行術(shù)語來說，由于汽化流體的熱阻低，傳熱系數(shù)高，該系統(tǒng)可以最大限度地提高冷凝器的溫度，進(jìn)而最大限度地增加冷源傳遞的熱量?！?/p>

在與我們分享的一個高密度逆變器示例中，Calyos 能夠提供一個類似的系統(tǒng)，允許組件消耗四倍的熱功率，同時在與水系統(tǒng)相同的限制下運(yùn)行。其次，由于其系統(tǒng)經(jīng)過氦氣測試的閉環(huán)設(shè)計(jì)，由于沒有內(nèi)部移動部件，客戶可以期待可靠性和使用壽命的顯著提高。在與客戶合作時，Cayos 鼓勵設(shè)計(jì)完全無源系統(tǒng)（不使用風(fēng)扇），從而有機(jī)會將冷卻系統(tǒng)的能耗降低 100%——對許多人來說這是一個有吸引力的解決方案。

圖 2：顯示 LHP 系統(tǒng)中核心組件的圖表

LHP的工作原理可以概括為以下幾點(diǎn)：

蒸發(fā)器上的銅基板與熱源導(dǎo)熱。

在蒸發(fā)器內(nèi)部，液體從儲液器通過多孔芯結(jié)構(gòu)流向底板。

由于溫度較高，液體在到達(dá)基板時蒸發(fā)。

蒸氣沿著蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)內(nèi)的出口路徑被引導(dǎo)到蒸氣管線。

當(dāng)蒸汽到達(dá)冷源時，由于溫度較低，它會凝結(jié)回液體。

由于來自蒸氣管線的壓力，液體沿著液體管線流回蒸發(fā)器。

在向蒸發(fā)器加熱的同時，該過程無限期地繼續(xù)。

Sutton 表示，Calyos 已在利基市場（鐵路、能源、電信）中將該產(chǎn)品商業(yè)化，并通過其在比利時的工廠繼續(xù)增加產(chǎn)量。成本阻礙了汽車和計(jì)算市場的廣泛采用。這兩個市場都提供了很好的機(jī)會，Calyos 正在與原始設(shè)備制造商和一級供應(yīng)商進(jìn)行持續(xù)的開發(fā)項(xiàng)目和討論。討論顯然集中在通過與客戶整合供應(yīng)鏈和探索許可協(xié)議來實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的生產(chǎn)。

“一個值得分享的偉大項(xiàng)目是我們在鐵路行業(yè)所做的工作。牽引變流器安裝在火車上，將來自電力線的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動火車。我們的系統(tǒng)被動冷卻 8 個 IGBT 模塊，沒有泵和風(fēng)扇。這不僅使最終客戶受益于具有相當(dāng)?shù)偷目傮w擁有成本的系統(tǒng)，而且還大大降低了噪音，尤其是當(dāng)火車停在車站時，可以提供更好的乘客體驗(yàn)，”薩頓說。

圖 3：牽引變流器的被動冷卻系統(tǒng)

結(jié)論

有效的冷卻技術(shù)可以提高電子元件的使用壽命和可靠性，從而最大限度地提高系統(tǒng)效率。兩相技術(shù)（例如 LHP）可以非常有效地將熱量從最熱點(diǎn)（例如高功率 IGBT）轉(zhuǎn)移到散熱器的翅片區(qū)域或其他冷卻結(jié)構(gòu)。

“使用汽化潛熱驅(qū)動冷卻系統(tǒng)是一個絕妙的想法，Calyos 很幸運(yùn)地開發(fā)了一項(xiàng)偉大的熱技術(shù)，解決了與傳統(tǒng)熱管相關(guān)的許多挑戰(zhàn)，同時保留了這些優(yōu)勢。隨著我們的技術(shù)越來越多地被采用，我們希望我們能夠提供更多完全被動的解決方案，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的可持續(xù)影響”，Sutton 總結(jié)道。

審核編輯 黃昊宇