Dieses Dokument zeigt, dass die ShowerPower®-Kühltechnologie, angewendet auf Standard-Motherboard-Leistungsmodule, sehr gut für den Einsatz in Windkraftanwendungen geeignet ist, da sie hervorragende thermische Eigenschaften erzielt und Größe und Gewicht sowie die Kosten der Konverter reduziert.
1. Einleitung
Die direkte Flüssigkeitskühlung von Leistungsmodulen für Windkraftanlagen bietet eine zuverlässigere, kompaktere und kostengünstigere Lösung als herkömmliche indirekte Flüssigkeitskühltechnologien, wie beispielsweise die in der Windindustrie üblicherweise verwendeten Kühlkörper („Kühlplatten“). Traditionell werden in Windkraftanlagen zwei Arten von Leistungsmodulen in Kombination mit indirekt gekühlten Kühlplatten eingesetzt. Die erste Variante sind Module ohne Grundplatte, bei denen die DCB-Substrate mit den IGBT-Chips und Dioden direkt auf einer Kühlplatte montiert sind, ohne die übliche Kupfergrundplatte. Diese Bauweise eliminiert die Grundplatte, welche zusätzliche Kosten verursacht und den Wärmewiderstand des Kühlkörpers erhöht. Die zweite Option verwendet Standardmodule mit flachen Grundplatten. Obwohl diese einen höheren Wärmewiderstand aufweisen, trägt die Grundplatte durch die Nutzung der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer zur Reduzierung des Gesamtwärmewiderstands und der Systemkosten bei. Diese Bauweise gewährleistet die Lieferung des Standard-Leistungsmoduls von zwei Herstellern (eine unverzichtbare Voraussetzung in der Windindustrie) und bietet gleichzeitig die Vorteile des Absatzvolumens hinsichtlich der Modulkosten.
Da Rippenkühler aufgrund ihrer kundenspezifischen Bauweise und der Notwendigkeit einer dualen Energieversorgung in der Windenergiebranche nicht erwünscht sind, gibt es im Wesentlichen drei andere Optionen:
• Indirekte Flüssigkeitskühlung mit Kühlplatten und Leistungsmodulen ohne Grundplatte;
• Indirekte Flüssigkeitskühlung mit Kühlplatten und Standard-Leistungsmodulen;
• Direkte Flüssigkeitskühlung mit Standard-Leistungsmodulen.
Die Wärmestapel wurden analysiert und verglichen. Alle drei Lösungen werden einem typischen Einsatzprofil (das das Lastprofil über die gesamte Lebensdauer beschreibt) aus einer Windenergieanwendung unterzogen. Die Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit aller drei Lösungen werden ebenfalls erörtert.
Da eine direkte Flüssigkeitskühlung im Vergleich zu einer geschlossenen Kühlung, die eine Wärmeleitschicht (TIM) benötigt, eine überlegene Leistung bietet, ist sie als Möglichkeit zur Bewältigung der Herausforderungen durch Leckagerisiken und anderer Probleme im Zusammenhang mit offenen Flüssigkeitskühlungssystemen in Betracht zu ziehen.
2. Ausfallmechanismen von Leistungsmodulen unter Last:
Die Notwendigkeit, die Kühlung von Leistungsmodulen zu berücksichtigen, ergibt sich aus der Tatsache, dass Leistungsmodule im Laufe der Zeit unweigerlich ausfallen; es ist lediglich eine Frage der Zeit. Die Ausfallmechanismen hängen von den Belastungen ab, denen die Module im Laufe der Zeit ausgesetzt sind, sowie von der Temperatur: Je niedriger die Temperatur, desto besser. Daher ist eine effiziente Kühlung ein Eckpfeiler kostengünstiger und hochzuverlässiger Wandlerkonstruktionen.
Leistungsmodule bestehen aus Anordnungen von Materialien mit unterschiedlichen Materialeigenschaften, wie z. B. Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), Elastizitätsmodul und Festigkeit. Der Begriff „Thermostapel“ beschreibt diese thermomechanische Materialkombination, die das Leistungsmodul definiert. Unterschiede in den Materialeigenschaften innerhalb des Stapels verursachen bei Temperaturänderungen thermomechanische Bewegungen, die Spannungen und Dehnungen hervorrufen und zu Ermüdungsbrüchen führen können. Die häufigsten Ausfallursachen sind die Ermüdung der Bonddrähte und die Verschlechterung der Schweißverbindungen.
Abgesehen von den durch die Wärmeleitpaste (TIM) bedingten Austrocknungs- und Entlüftungseffekten ist die Ermüdung des Bondkabels die häufigste Ausfallursache in Leistungsmodulen für Windkraftanlagen. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) des Siliziumchips und des Aluminium-Bondkabels, die zusammen mit zyklischen Temperaturänderungen (Ein- und Ausschalten) zum Ausfall des Bondkabels und damit zu einem Totalausfall führen, existieren verschiedene Modelle zur Bewertung der Lebensdauer von Bondkabeln in Abhängigkeit von der Belastung über die Zeit (dem Betriebsprofil) und den thermischen Bedingungen [1, 2].
3. Windkraftanwendungen
Die Hauptstromumrichtersysteme lassen sich aus Sicht des Speisezyklus auf drei grundlegende Topologien reduzieren: doppelt gespeister Asynchrongenerator (DFIG), Vollumrichter mit Getriebe (FC) und getriebeloser Direktantrieb (DD). Diese unterschiedlichen Topologien zeichnen sich durch ihre dominanten Betriebsfrequenzen aus. Das Netzleistungsprofil unterscheidet sich, da der Betrieb mit der Nennfrequenz erfolgt. Darüber hinaus führen die verschiedenen Topologien, abhängig von den Regelungsstrategien und der Generatorauslegung, zu unterschiedlichen Schaltmustern zwischen Dioden und IGBTs, was wiederum die resultierenden Ermüdungseffekte beeinflusst.
Die Betriebsprofile von DFIG- und FC-Windkraftanlagen unterscheiden sich in der Häufigkeitsverteilung ihrer Temperaturzyklen. DFIG führt zwar zu geringeren Gesamtleistungsverlusten, die langsamen Temperaturzyklen, die ihr Betriebsprofil prägen, verursachen jedoch größere Schäden an den Leistungsmodulen. Die direkte Flüssigkeitskühlung trägt dazu bei, sowohl die Durchschnittstemperatur in den Modulen als auch den Temperaturanstieg zu reduzieren, was beides notwendig ist, um die üblichen Spezifikationen zu erfüllen. Leistungsmodule in FC-Windkraftanlagen müssen höhere durchschnittliche Leistungsverluste bewältigen. Daher ist die Senkung der Durchschnittstemperaturen unerlässlich. Dies lässt sich optimal durch die direkte Flüssigkeitskühlung der Leistungsmodule erreichen, wobei die Flexibilität der ShowerPower®-Kühlsysteme genutzt wird.
4. ShowerPower®
ShowerPower® ist ein von Danfoss entwickeltes Direktflüssigkeitskühlungskonzept. Seine Hauptmerkmale sind:
• Fähigkeit zur homogenen Kühlung großer Leistungsmodule auf flachen Grundplatten und Modulsystemen, wodurch Temperaturgradienten vermieden, die Lebensdauer verlängert und die parallele Anordnung vieler Leistungschips erleichtert wird.
• Keine Austrocknungs- oder Pumpeffekte im Zusammenhang mit Wärmeleitpaste
. • Sehr geringer Druckverlust
. • Ermöglicht die 3D-Konstruktion kompakter, leichter und hochwertiger Designs.
• Kostengünstig: Umwandlung von Metall in Kunststoff durch einfache Kunststoffteile.
Das Kernelement des Konzepts ist der „ShowerPower®-Turbolator“, der das Kühlmittel entlang der Modulgrundplatte in parallele Kühlzellen leitet und so für gleichmäßige Temperaturen im gesamten Modul sorgt.
Das Konzept ermöglicht eine gezielte Kühlung, falls Hotspots zusätzliche Aufmerksamkeit erfordern; dies wird durch die individuelle Gestaltung der Kühlkanäle erreicht.
Der ShowerPower®-Turbolator wird zusammen mit einer Krümmerdichtung verwendet, um Kühlmittel unter einer Standard-IGBT-Grundplatte zu verteilen.
Weitere Informationen finden Sie in [3-5].
5. Indirekte vs. direkte Kühlung
: Die direkte Flüssigkeitskühlung macht die üblicherweise zwischen der Rückseite des Leistungsmoduls und der Kühlplatte benötigte Wärmeleitpaste (TIM) überflüssig. Da die TIM 30–50 % des Wärmeleitwiderstands (Rth) ausmacht, führt ihr Wegfall zu einer besseren thermischen Umgebung für das Leistungsmodul. Da temperaturbedingte Ausfallmechanismen die Hauptursache für Ausfälle von Leistungsmodulen sind, erhöht dies die Zuverlässigkeit.
Die transiente thermische Impedanz wurde für die drei Wärmestapel verglichen:
• Modul ohne Kaltplatten-Grundplatte
• Modul mit Kaltplatten-Grundplatte
• Modul mit ShowerPower®-Grundplatte
Die Grafik zeigt, dass sich die drei Lösungen sehr unterschiedlich verhalten: Aufgrund der thermischen Zeitkonstante der Grundplatte beginnt der thermische Widerstand (Zth) des Moduls ohne Grundplatte im Vergleich zu den Modulen mit Grundplatte bereits nach 60–70 ms anzusteigen. Die Impedanz nach 1 s ist doppelt so hoch wie die der Module mit Grundplatte, was bedeutet, dass ein 1-Hz-Leistungszyklus beim Modul ohne Grundplatte zu einem doppelt so hohen Temperaturanstieg führen würde. Der stationäre thermische Widerstand (Rth) des Moduls ohne Grundplatte ist ebenfalls doppelt so hoch wie der der ShowerPower®-Konfiguration.
Nach etwa 1,5 s weicht die Zth-Kurve des Moduls mit Kühlplatte von der ShowerPower®-Kurve ab. Dies zeigt, dass der Temperaturanstieg bei Frequenzen unter etwa 0,6 Hz bei der Kühlplattenlösung größer ist als bei der ShowerPower®-Lösung.
6. ShowerPower® für die direkte Flüssigkeitskühlung eines Windkraftanlagen-Umrichters:
Der Windkraftanlagenhersteller kennt die Energielasten über die gesamte Lebensdauer der Turbine. Die Kenntnis des thermischen Aufbaus, einschließlich des Wirkungsgrads des Kühlers und der Leistungsverluste im Zeitverlauf, führt zu zeitabhängigen Gerätetemperaturen. Unter Berücksichtigung dieser Daten lässt sich die Zuverlässigkeit des Leistungsmoduls bestimmen. Erfüllt die Lebensdauer die Anforderungen nicht, ist eine verbesserte thermische Auslegung erforderlich. Dieser iterative Prozess wird so lange wiederholt, bis eine Auslegung gefunden ist, die die Lebensdaueranforderungen mit einer angemessenen Sicherheitsmarge erfüllt.
Thermische Analysen wurden mit FloTherm® durchgeführt, einer 3D-CFD-Software, die neben der Wärmeleitung durch die festen Elemente des Kühlstapels auch die Auswirkungen der Fluidströmung durch die Kühlplatte bzw. das ShowerPower®-Modul modelliert.
Es wurden zwei Analysen durchgeführt, in denen die Wärmeleitfähigkeit (Rth) für die drei Kühlprinzipien mit einem 50/50-Glykol/Wasser-Gemisch verglichen wurde.
An die einbeinigen IGBT-Chips eines P3-Moduls wurde eine Verlustleistungskonstante angelegt und die maximale Chiptemperatur gemessen.
Abbildung 6 zeigt, dass das Modul ohne Grundplatte eine TJ von 138 °C erreichte. Das Standardmodul mit Grundplatte und Kühlplatte verbesserte die Ergebnisse gegenüber der Lösung ohne Grundplatte und erreichte eine TJ von 120 °C. Der ShowerPower®-Kühler verbesserte schließlich beide Werte und erzielte eine TJ von 97 °C.
Anschließend wurde eine transiente Analyse der Kühltechnologien durchgeführt (wiederum mit Glykol/Wasser 50%/50%) unter Verwendung eines Standard-Windturbinenprofils bei Frequenzen unter 1 Hz.
In diesem speziellen Beispiel sind die Diodenverluste etwas höher (Generatorbetrieb), wodurch auch die Diodentemperaturen etwas höher ausfallen. Sowohl die Temperaturen des IGBT als auch die der Chipdiode wurden erfasst; die Temperaturanstiege und die mittlere Temperatur (T<sub>mean</sub>) sind unten aufgeführt.
Es zeigt sich, dass die Lösung ohne Grundplatte hinsichtlich der mittleren Temperatur, der T<sub>mean</sub> und der Temperaturschwankung (ΔT) schlechter abschnitt. Die Werte für die Diode betrugen 75 °C bzw. 43 °C.
Die Standard-Grundplatte mit Kühlplatte übertraf die Lösung ohne Grundplatte mit einer mittleren Temperatur (T<sub>mean</sub>) von 70 °C und einer Verdopplungszeit (DT) von 24 °C. Die ShowerPower®-Lösung erzielte erneut bessere Ergebnisse als die beiden anderen Technologien mit einer T<sub>mean</sub> von 60 °C und einer DT von 23 °C. Dieselben Tendenzen wurden auch für den IGBT beobachtet.
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Vorteile von ShowerPower®
Erhöhte Verlustleistung
Basierend auf der thermischen Analyse in Abbildung 6 zeigt die folgende Tabelle, um wie viel die stationäre Verlustleistung erhöht werden kann, während die gleiche Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiter beibehalten wird.
ShowerPower® ermöglicht es Ihnen, die Ableitungsleistung in der Kaltplattenlösung ohne Grundplatte zu verdoppeln.
Geringerer Silikonbedarf.
ShowerPower® ermöglicht es Ihnen außerdem, die benötigte Silikonmenge im Vergleich zu Lösungen ohne Grundplatte um die Hälfte zu reduzieren.
Nutzungsdauer
Da die Lebensdauer stark von der Temperatur (DT und Tmean) abhängt, zeigen die Tabellen 1 und 2 deutlich, dass eine Grundplatte die Lebensdauer im Vergleich zum Modul ohne Grundplatte drastisch erhöht, da sowohl DT als auch Tmean reduziert werden. ShowerPower® verlängert die Lebensdauer zusätzlich, da Tmean sinkt. Auch dies ermöglicht es, die gleiche Lebensdauer wie Lösungen ohne Grundplatte oder mit Kühlplatte zu erreichen, jedoch mit deutlich weniger Silizium, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.
7. Prüfung von Direktflüssigkeitskühlkreisläufen
Ein Flüssigkeitskühlsystem mit einer Lebensdauer von 15–20 Jahren muss hinsichtlich Flüssigkeitsdichtheit, Korrosionsbeständigkeit und gleichbleibender Leistung sorgfältig ausgelegt werden. Die Dichtheit stellt eine potenzielle Schwachstelle dar; beschleunigte Lebensdauertests haben jedoch die Zuverlässigkeit der gewählten Lösung bestätigt. Weitere wichtige Ergebnisse stammen aus verschiedenen Langzeitleistungstests. Relevante Ergebnisse werden hinsichtlich der Kühlmittelstabilität, des Korrosionsverhaltens der verwendeten Materialien und deren Einfluss auf die Kühlleistung präsentiert. Die Langzeit-Temperaturreduktion (Rth) und die Dichtheitsleistung werden mithilfe eines speziellen Langzeitprüfstands mit definierten Korrosionsgrenzbedingungen untersucht.
Die Rohrleitungen des Prüfstands bestehen ausschließlich aus Aluminium und nichtmetallischen Werkstoffen. Alle Sonderbauteile wie Heizungen, Durchflussmesser, Pumpen und Sensoren sind speziell aus Aluminium oder hochtemperaturbeständigem Kunststoff gefertigt. Ziel war ein Langzeitbetrieb bei einer Kühlmitteltemperatur von 105 °C, einem sicheren Betriebspunkt für ein 50%iges Wasser-Glykol-Gemisch bei einem Systemüberdruck von 1,5 bar. Die Wärme wird durch ein speziell entwickeltes elektrisches Heizrohr erzeugt. Zur Gewährleistung von thermischer Stabilität und Energieeffizienz ist der gesamte Prüfstand in einer isolierten Metallprüfplattform untergebracht. Die Datenerfassung erfolgt außerhalb der Plattform in der kühleren Umgebung.
Der thermische Wirkungsgrad (Rth) der Leistungsmodule wird alle 1000 Stunden auf einem separaten Prüfstand bei 25 °C ermittelt. Dazu werden die Leistungsmodule elektrisch betrieben, und die Verlustleistung wird über das Kühlmittel abgeführt. Die Sperrschichttemperatur der Halbleiter wird mittels Infrarot-Thermografie gemessen.
Die Heißlaufphase wird alle fünf Tage durch zwei Tage bei Umgebungstemperatur ohne Kühlmittelzirkulation unterbrochen. Dadurch wird die Dichtung (doppelter O-Ring) aufgrund der Temperaturunterschiede in der Nut verschoben.
Die Untersuchung beginnt mit neuen, unbenutzten Leistungsmodulen mit Standardoberflächen (AlSiC und Ni- oder Cu-plattiert).
Während Phasen hoher Wärme werden die Leistungsmodule passiv beheizt. Das Wasser/Glykol-Kühlmittel besteht aus demineralisiertem Wasser und einem Standardglykol mit Korrosionsinhibitoren für Aluminium und Stahl. Der Inhibitor ist anodisch und bildet eine Passivierungsschicht auf den Aluminiumoberflächen, wodurch die Metalloxidation verhindert wird. Eine sorgfältige Dosierung ist erforderlich, da zu geringe Konzentrationen der anodischen Inhibitoren die Lochkorrosion durch die Bildung einer ungleichmäßigen Schicht mit lokalisierten Anoden sogar verschlimmern können [6,7].
Das korrekte Wasser/Glykol-Gemisch wird wöchentlich mittels Brechungsindexmessungen überprüft. Abbildungen 11 und 12 zeigen die Ergebnisse der Rthjw-Messungen. Das AlSiC-Material weist ein sehr stabiles Rth-Verhalten über die Zeit auf, mit nur geringen anfänglichen Schwankungen nach der Bildung einer dünnen, schützenden Korrosionsschicht. Der Korrosionsinhibitor spielt sowohl im thermischen Pfad als auch für die Langzeitstabilität der Korrosion eine wichtige Rolle. Dies wird im gleichen Experiment gezeigt, jedoch unter Verwendung von vernickeltem bzw. kupferbasiertem Material, Abbildung 12.
Die Ni-Beschichtung bildet innerhalb der ersten 100–300 Betriebsstunden eine Schutzschicht. Diese Schicht erhöht den Strömungswiderstand geringfügig, wie der Druckabfall des Kältemittels in Abbildung 13 zeigt.
Um eine gleichbleibende Kühlleistung auch während der anfänglichen Phase der Schutzschichtbildung auf den Systemoberflächen zu gewährleisten, wird empfohlen, die Pumpendrehzahl konstant zu halten. Dadurch wird ein gleichmäßiger Wärmeaustausch vom Leistungsmodul mit dem Kühlmittel sichergestellt.
Ein weiteres positives Ergebnis der Langzeitbeobachtung ist, dass nach dem Langzeitzyklus keine Leckagen an den Prüflingen festgestellt wurden.
Das Experiment wurde bis zu 8000 Stunden bei 105 °C durchgeführt, um die Ergebnisse auf einen 20-jährigen Betrieb bei einer Kältemitteltemperatur von nur 45 °C hochrechnen zu können.
8. Fazit
Die direkte Flüssigkeitskühlung mit ShowerPower® bietet gegenüber herkömmlichen Flüssigkeitskühltechnologien mit Kühlplatten mehrere Vorteile: erhöhte Zuverlässigkeit unabhängig von der Anwendung (z. B. DFIG oder FC) sowie reduziertes Gewicht, geringere Größe und niedrigere Gesamtkosten des Kraftwerks.
Darüber hinaus haben beschleunigte Lebensdauertests gezeigt, dass Korrosions- und Wasserdichtheitsprobleme beherrscht werden, wodurch diese Lösungen die von der Windenergiebranche geforderte 20-jährige Lebensdauer erfüllen.
ShowerPower® wird die beste globale Wahl für zukünftige Generationen von flüssigkeitsgekühlten Wechselrichtern für die
Windindustrie sein.
Autor: Von: Klaus Olesen (
9. Literatur
[1] M. Held et al. „Schneller Power-Cycling-Test für IGBT-Module in Traktionsanwendungen“, PEDS Conference Proceedings 1997, Singapur, S. 425-430.
[2] M.-H. Poech al, „Untersuchungen zu den Schadensmechanismen von Aluminiumdrahtbonds für Hochleistungsanwendungen.“ Proz. EUPAC 1996, S. 128-131.
[3] K. Olesen et al., „ShowerPower® New Cooling Concept“, PCIM Conference Proceedings 2004, Nürnberg.
[4] F. Osterwald et al., „Innovative Kühltechnologie für Leistungsmodule“, Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendungen, 10.-11. Oktober 2006, Bad Nauheim.
[5] R. Bredtmann et al., „Power under the Hood“ Erhöhung der Leistungsdichte von Wechselrichtern mit einem neuartigen 3D-Ansatz“, APE, 25.-26. März 2009, Paris.
[6] Dr. Dmitri Kopeliovich, „Anodische Korrosionsinhibitoren“ www.substech.com
[7] H.-D. Held, „Kühlwasser; Verfahren und Systeme der Aufbereitung, Behandlung und Kühlung von Süßwasser-Brackwasser-Meerwasser zur industriellen Nutzung“ 5. Auflage
