电力电子设备的冷却技术研究进展

热加工工艺技术与材料研究

电力电子设备的冷却技术研究进展

张小京1,易志华2

(11西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010;21西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安710071)

摘　要:为了适应电力电子集成技术高热密度散热的需求,在对传统的冷却方式不断改进的同时,一些新型高效的冷却方式不断涌现。本文对几种常用冷却方式的原理、优缺点及最新的研究动态进行了综述,为电力电子设备热设计人员选择合适的冷却方式,进而设计出高效的散热装置提供方便。

关键词:电力电子设备;冷却技术;散热装置中图分类号:T K 123文献标志码:B 近年来电力电子集成技术的迅速发展,使得电力电子装置设计和维护难度显著降低,极大地推广了电力电子装置的应用范围。目前,电力电子集成技术面临的问题,概括地讲就是如何使电力电子装置的功能越来越完善,体积越来越小,这对装置的材料、工艺以及电路本身都提出了巨大的挑战;而随之在装置内部产生的高热流密度更是受到了人们的普遍关注,甚至认为传热问题成为了电力电子集成技术继续进步的瓶颈[1]。

由于电力电子设备的小型化和集成化,要求其散热装置具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率、不需要维修等特点,从而为现代传热技术在电子冷却领域的应用提出了新的课题。这就要求广大从事电子设备热设计的科技人员在对传统的冷却方式改进的同时,不断探索、研究、开发新型高效的冷却装置。以下就对几种常用冷却方式的原理、优缺点及目前的研究进展分别介绍。

1　各种冷却方式的特点及新进展

图1　风冷翅片散热器1.1　风冷翅片散热器

风冷翅片散热器分2个部分,和热源直接接触的部分为翅片散热器,他负责将热源发出的热量引出;风扇则用来给散热器强制对流冷却降温。其冷却效果与使用的散热器的结构密切相关。目前有关研究主要集中在散热器的散热特性及结构、材料的优化上。影响强制对流冷却效果的另一个参数是风速,风速越大,散热器的热阻越小,但流动阻力越大,适当提高风速有利于热阻的降低,但风速

超过一定数值之后再提高已无多大意义[2]。

该散热方式由于具有结构简单,价格低廉,安全可靠,技术成熟的优点,而成为最常用的散热方法之一;其缺点则是:不能将温度降至室温以下;且因风扇的转动而存在噪音;风扇寿命有时间限制。1.2　水冷

虽然风冷翅片散热器成本低廉,但受到散热能力的限制,随着热流密度不断提高,具有更大散热能力的水冷装置的应用将大行其道。根据文献[3],气体强制对流换热系数的大致范围为20～100

W/(m 2・℃

),水强制对流的换热系数高达15000W/(m 2・℃

),是气体强制对流换热系数的百倍以上。

图2　某大功率模块底部结构

目前,很多电力电子装置都是用水冷装置作为散热系统,该系统通常由散热器,水管及一个水泵组成。散热器有一个进水口及出水口,在其内部有多条水道,这样可以充分发挥水冷的优势,带走更多的热量。同时因水冷系统没有风扇,所以不会产生振动,噪声也会相对较小。该系统的缺点是价格比较昂贵,水在密闭状态下容易发生结垢、变质,在使用过程中还要完全杜绝漏水、断水等情况的发生。同时该系统在使用过程中由于水的流动会造成电子元件周围电磁场的一些变化,可能会影响到系统的稳定性。

图2是某大功率模块水冷系统上部的照片,从图上可以看出,1根进水管和1根出水管直接连到封装结构内部,一旦漏水将对系统造成很大的损失。1.3　微通道冷却

微通道冷却

・

34・《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究　2008年　第1期

是通过微加工技术在高导热率的材料上加工出微通道(通道直径为微米级),其结构如图3所示,在底面加上的热量经过微通道壁传导至通道内,然后被强制对流的流体带走。

图3　微通道结构

研究表明,由于微通道尺寸微小,极大的增长了流体与散热器的接触面积,液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾[4],此时液体处于一种高度不平衡状态,具有很大的换热能力,比常规空气强

迫对流的传热能力高出1～2个数量级,可以达到

790W/cm 2[5],因而极大地提高了散热效果,是目前国内外研究的热点。研究内容主要侧重于通过试验研究微通道的结构参数(翅片间距、翅片长度等)对通道内的流动换热过程、流动阻力(通道2端的压差)的影响,但对微尺度传热的机理与理论研究得比较少。

由于微通道的截面积很小,液体单相流经微通道时会伴随较大的温升,这会引起热应力过高或芯片热电不匹配等严重的问题。通过提高压力增大流速可以降低温升,但流速又受到噪音等因素的制约不能足够大,从而不能从根本上解决温升问题。利用气液相变可以解决温度梯度过高的问题,但这又会带来结构复杂,流动需要更大的压降等问题。1.4　半导体制冷半导体制冷是由半导体按照特殊的结构组成的一种制冷装置,是近年来迅速发展的一项高新技术。其基本原理是珀耳贴效应,如图4所示,由X 及Y 2种不同的金属导线所组成的封闭线路,通上电源之后,冷端的热量被移到热端,导致冷端温度降低,热端温度升高

。

图4　半导体制冷原理图

如图5所示,N P 型半导体通过金属导流片链

接,当电流由N 通过P 时,电场使N 中的电子和P 中的空穴反向流动,它们产生的能量来自晶格的热能,于是在导流片的一端吸热,而在另一端放热,这样就产生了温差

。

图5　半导体制冷结构图

半导体制冷的优点是:能够满足高热流密度的特殊情况,可以把温度降至室温以下;使用闭环温控

电路,温控精度可达±0.1℃;无运动部件,失效率低;寿命大于20万小时;工作时无噪音,但存在制冷效率低、制冷温差较小等不足,究其原因主要是材料的优值系数不高,因而大部分的研究工作放在寻找更好的半导体材料上。图6　典型热管内部结构示意图1.5　热管

典型的热管由管壳、多孔毛细管芯和工作介质组成,如

图6所示。工质在真空状态下

从蒸发段吸收热源产生的热量汽化后,在微小的压差作用下,迅速流向冷凝段,并向冷源放出潜热而凝结成液体,凝结液再在吸液芯毛细抽吸力的作用下从冷凝段返回蒸发段,再吸取热源产生的热量。如此循环往复,不断将热量自蒸发段传递向冷凝段。

热管最大的优点是能在温差很小的情况下传递大量热量,其相对导热率是铜的几百倍,被称为“近

超导热体”[6]

,但任何一只热管都存在传热极限,当蒸发端的发热量超过某极限值时,热管内的工作介质便会全部汽化,导致循环过程中断,热管失效。由于目前我国在微型热管的技术方面还不成熟,使得热管在电力电子设备冷却中还没有得以广泛的应用。

图7　沿径向传热的平板热管

近年来,国内外对平板热管(flat plate heat pipe )研究较多,研究内容主要集中在研究充

液率、工作温度、倾角、冷却方式等因索对平板热管传热性能的影响,管芯大多采用微型槽道,其在传热机理上与普通的热管没有大的区别,都是进行轴向传热,只是形状有所不同;文献[7]则针对电力电子设备集成化对冷却技

术的要求设计了一种沿径向传热的平板热管,该种平板热管在传热方向上的尺寸较小,结构紧凑,并能

・

44・《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究　2008年　第1期