大功率电子被动冷却散热技术

在最新的GaN 和 SiC组件的推动下，电力电子模块的尺寸不断缩小，同时散热量也在不断增加。因此，在许多应用中，工程师将主动（泵送）水冷却作为看似显而易见的解决方案。使用回路热管 (LHP) 技术，Cayos 提供了一种被动、可持续的替代方案，可应用于不同行业的许多热问题。

在接受电力电子新闻采访时，Ben Sutton（Calyos 的营销经理）解释说，回路热管是一种被动的两相传热装置。这些系统可以将多个热源与低质量解决方案结合在一起，该解决方案可以在复杂的环境中导航，同时保持能够冷却高热密度组件。

回路热管适用于恶劣环境中的应用，可以毫无问题地处理加速度和振动。流体定制允许优化操作条件，包括量子计算机的低温应用。

技术

热管是一种通过工作流体的蒸发和冷凝，可以在冷热界面之间以很小的温差进行大量热量交换的传热装置。

与热管不同，LHP 内的灯芯结构集中在蒸发器内。这种灯芯结构提供毛细管泵送压力，将液体推向蒸发器的底板，在那里它蒸发并沿蒸汽管线流出。蒸发器是设备的核心，包含一个多孔的毛细管芯结构，通常基于金属或有机聚合物。

“所以，显而易见的问题是它的表现如何？”萨顿说。他与我们共享了一系列数据，以验证其系统的性能，因为每种情况都取决于应用程序的具体情况，而且许多项目都是保密的。萨顿补充道：“用外行术语来说，由于汽化流体的热阻低，传热系数高，该系统可以最大限度地提高冷凝器的温度，进而最大限度地增加冷源传递的热量。”

在与我们分享的一个高密度逆变器示例中，Calyos 能够提供一个类似的系统，允许组件消耗四倍的热功率，同时在与水系统相同的限制下运行。其次，由于其系统经过氦气测试的闭环设计，由于没有内部移动部件，客户可以期待可靠性和使用寿命的显着提高。在与客户合作时，Cayos 鼓励设计完全无源系统（不使用风扇），从而有机会将冷却系统的能耗降低 100%——对许多人来说这是一个有吸引力的解决方案。

图 2：显示 LHP 系统中核心组件的图表

LHP的工作原理可以概括为以下几点：

蒸发器上的铜基板与热源导热。

在蒸发器内部，液体从储液器通过多孔芯结构流向底板。

由于温度较高，液体在到达基板时蒸发。

蒸气沿着蒸发器结构内的出口路径被引导到蒸气管线。

当蒸汽到达冷源时，由于温度较低，它会凝结回液体。

由于来自蒸气管线的压力，液体沿着液体管线流回蒸发器。

在向蒸发器加热的同时，该过程无限期地继续。

Sutton 表示，Calyos 已在利基市场（铁路、能源、电信）中将该产品商业化，并通过其在比利时的工厂继续增加产量。成本阻碍了汽车和计算市场的广泛采用。这两个市场都提供了很好的机会，Calyos 正在与原始设备制造商和一级供应商进行持续的开发项目和讨论。讨论显然集中在通过与客户整合供应链和探索许可协议来实现更大规模的生产。

“一个值得分享的伟大项目是我们在铁路行业所做的工作。牵引变流器安装在火车上，将来自电力线的直流电转换为驱动火车。我们的系统被动冷却 8 个 IGBT 模块，没有泵和风扇。这不仅使最终客户受益于具有相当低的总体拥有成本的系统，而且还大大降低了噪音，尤其是当火车停在车站时，可以提供更好的乘客体验，”萨顿说。

图 3：牵引变流器的被动冷却系统

结论

有效的冷却技术可以提高电子元件的使用寿命和可靠性，从而最大限度地提高系统效率。两相技术（例如 LHP）可以非常有效地将热量从最热点（例如高功率 IGBT）转移到散热器的翅片区域或其他冷却结构。

“使用汽化潜热驱动冷却系统是一个绝妙的想法，Calyos 很幸运地开发了一项伟大的热技术，解决了与传统热管相关的许多挑战，同时保留了这些优势。随着我们的技术越来越多地被采用，我们希望我们能够提供更多完全被动的解决方案，进而产生巨大的可持续影响”，Sutton 总结道。

审核编辑 黄昊宇