Questo documento dimostra che la tecnologia di raffreddamento ShowerPower®, applicata ai moduli di alimentazione standard delle schede madri, è particolarmente adatta all'utilizzo in applicazioni eoliche, garantendo eccellenti proprietà termiche, riducendo dimensioni e peso, nonché il costo dei convertitori.
1. Introduzione
Il raffreddamento a liquido diretto dei moduli di potenza per i convertitori delle turbine eoliche offre una soluzione più affidabile, compatta ed economica rispetto alle tradizionali tecnologie di raffreddamento a liquido indiretto, come i radiatori ("piastre di raffreddamento") attualmente utilizzati nell'industria eolica. Tradizionalmente, i convertitori di potenza per turbine eoliche hanno utilizzato due tipi di moduli di potenza in combinazione con piastre di raffreddamento indiretto. Il primo tipo è costituito da moduli senza piastra di base, in cui i substrati DCB che ospitano i chip IGBT e i diodi sono montati direttamente su una piastra di raffreddamento senza la tipica piastra di base in rame. Questa configurazione elimina la piastra di base, che aggiunge costi e un ulteriore livello di impedenza termica allo stack di calore. La seconda opzione utilizza moduli standard con piastre di base piatte e, sebbene questi aggiungano ulteriore impedenza termica, la piastra di base contribuisce a ridurre l'impedenza termica complessiva e il costo del sistema sfruttando gli effetti dissipativi del rame. Questa configurazione garantisce la fornitura da due fonti del modulo di potenza standard (un requisito indispensabile nell'industria eolica) insieme ai vantaggi delle vendite in volume sul costo del modulo.
Dato che i radiatori alettati non sono ben visti nel settore dell'energia eolica a causa della loro progettazione personalizzata e dei requisiti di doppia fonte, esistono sostanzialmente altre tre opzioni:
• Raffreddamento a liquido indiretto tramite piastre di raffreddamento con moduli di potenza senza piastra di base;
• Raffreddamento a liquido indiretto tramite piastre di raffreddamento con moduli di potenza standard;
• Raffreddamento a liquido diretto con moduli di potenza standard.
Sono stati analizzati e confrontati gli stack termici. Tutte e tre le soluzioni saranno sottoposte a un profilo di missione tipico (che descrive il profilo di carico per l'intera vita utile) derivato da un'applicazione nel settore dell'energia eolica. Verranno inoltre discusse le implicazioni in termini di affidabilità per tutte e tre le soluzioni.
Poiché un sistema di raffreddamento a liquido diretto offre prestazioni superiori rispetto a un sistema di raffreddamento a circuito chiuso, che richiede uno strato di materiale di interfaccia termica (TIM), vale la pena considerarlo come soluzione per superare i rischi di perdite e altri problemi associati ai sistemi di raffreddamento a liquido aperti.
2. Meccanismi di guasto dei moduli di potenza sotto carico
La necessità di affrontare il problema del raffreddamento dei moduli di potenza deriva dal fatto che questi, inevitabilmente, si guastano nel tempo; è solo questione di tempo. I meccanismi di guasto dipendono dai carichi a cui i moduli sono sottoposti nel tempo, nonché dalla temperatura: una temperatura più bassa è preferibile. Pertanto, un raffreddamento efficiente è un elemento fondamentale per la progettazione di convertitori economicamente vantaggiosi e ad alta affidabilità.
I moduli di potenza sono costituiti da assemblaggi di materiali con proprietà variabili, come il coefficiente di dilatazione termica (CTE), il modulo di elasticità e la resistenza. Il termine "stack termico" viene utilizzato per descrivere questa combinazione termomeccanica di materiali che definisce il modulo di potenza. Le differenze nelle proprietà dei materiali all'interno dello stack causano movimenti termomeccanici al variare della temperatura, inducendo sollecitazioni e deformazioni che possono portare a cedimenti per fatica. Le principali modalità di cedimento sono la fatica dei fili di collegamento e il degrado delle saldature.
Oltre agli effetti di "essiccazione" e "pompaggio" relativi allo strato TIM, la fatica del cavo di collegamento è la modalità di guasto dominante nei moduli di potenza per i convertitori delle turbine eoliche. A causa della discrepanza del coefficiente di dilatazione termica (CTE) tra il chip di silicio e il cavo di collegamento in alluminio, che, insieme alle variazioni cicliche di temperatura (accensione e spegnimento), porta al guasto, il cavo di collegamento si romperà, provocando un guasto catastrofico. Esistono diversi modelli per valutare la durata del cavo di collegamento in funzione dei carichi nel tempo (il profilo di missione) e delle condizioni termiche [1, 2].
3. Applicazioni eoliche
Dal punto di vista del ciclo di alimentazione, i principali sistemi di conversione di corrente possono essere ricondotti a tre topologie di base: generatore a induzione a doppia alimentazione (DFIG), convertitore completo con ingranaggi (FC) e senza ingranaggi, noto come azionamento diretto (DD). Queste diverse topologie sono caratterizzate dalle rispettive frequenze operative dominanti. Il profilo di potenza della rete differisce perché opera alla frequenza nominale. Inoltre, a seconda delle strategie di controllo e della progettazione del generatore, le diverse topologie determinano schemi di commutazione differenti tra diodi e IGBT, influenzando di conseguenza gli effetti di fatica.
I profili operativi delle turbine eoliche DFIG e FC differiscono nella distribuzione di frequenza dei loro cicli termici. Sebbene le turbine DFIG presentino perdite di potenza complessive inferiori, i cicli termici lenti che caratterizzano il loro profilo operativo causano maggiori danni ai moduli di potenza. Il raffreddamento a liquido diretto contribuisce a ridurre sia la temperatura media dei moduli sia l'aumento di temperatura, entrambi necessari per soddisfare le specifiche tipiche. I moduli di potenza delle turbine eoliche FC devono far fronte a perdite di potenza medie più elevate. Pertanto, è essenziale ridurre le temperature medie. Questo obiettivo può essere raggiunto in modo ottimale tramite il raffreddamento a liquido diretto dei moduli di potenza, sfruttando la flessibilità dei sistemi di raffreddamento ShowerPower®.
4. ShowerPower®
ShowerPower® è un sistema di raffreddamento a liquido diretto sviluppato da Danfoss. Le sue caratteristiche principali sono:
• Capacità di raffreddare in modo omogeneo grandi moduli di potenza su piastre di base piane e sistemi modulari, eliminando i gradienti di temperatura, migliorando la durata e facilitando il posizionamento parallelo di molti chip di potenza.
• Nessun effetto di pompaggio o asciugatura correlato al TIM
. • Differenziale di caduta di pressione molto basso
. • Consente la progettazione 3D di design compatti, leggeri e di alta qualità.
• Basso costo: conversione da metallo a plastica in semplici componenti in plastica.
L'elemento chiave del concetto è il "turbolizzatore ShowerPower®", che convoglia il liquido di raffreddamento lungo la piastra di base del modulo in celle di raffreddamento parallele, garantendo temperature uniformi su tutto il modulo.
Il concetto consente un raffreddamento personalizzato qualora i punti caldi richiedano maggiore attenzione; ciò si ottiene semplicemente progettando individualmente i canali di raffreddamento.
Il turbolatore ShowerPower® viene utilizzato in combinazione con una guarnizione del collettore e per distribuire il liquido di raffreddamento sotto una piastra di base IGBT standard.
Per ulteriori informazioni, fare riferimento a [3-5].
5. Raffreddamento indiretto vs. diretto
: Il raffreddamento a liquido diretto elimina lo strato di TIM tradizionalmente necessario tra la parte posteriore del modulo di potenza e la piastra di raffreddamento. Poiché lo strato di TIM costituisce il 30%-50% della resistenza termica inversa (Rth), la sua eliminazione si traduce in un ambiente termico migliore per il modulo di potenza. Dato che i meccanismi di guasto dovuti alla temperatura sono la causa principale dei guasti dei moduli di potenza, ciò porta a una maggiore affidabilità.
L'impedenza termica transitoria è stata confrontata per i tre stack termici:
• Modulo senza piastra di base a freddo
• Modulo con piastra di base a freddo
• Modulo con piastra di base ShowerPower®
Il grafico mostra che le tre soluzioni si comportano in modo molto diverso: a causa della costante di tempo termica della piastra di base, l'impedenza termica (Zth) del modulo senza piastra di base inizia ad aumentare a 60-70 ms rispetto ai moduli con piastra di base; l'impedenza a 1 s è il doppio di quella dei moduli con piastra di base, il che indica che un ciclo di alimentazione a 1 Hz comporterebbe un aumento di temperatura doppio per il modulo senza piastra di base. Anche la resistenza termica (Rth) allo stato stazionario per il modulo senza piastra di base è il doppio di quella della configurazione ShowerPower®.
A circa 1,5 s, la curva di Zth per il modulo con piastra di raffreddamento inizia a divergere dalla curva di ShowerPower®, mostrando che l'aumento di temperatura per frequenze inferiori a circa 0,6 Hz sarà maggiore per la soluzione con piastra di raffreddamento rispetto alla soluzione ShowerPower®.
6. ShowerPower® per il raffreddamento a liquido diretto del convertitore di una turbina eolica:
il produttore della turbina eolica conosce i carichi energetici durante l'intero ciclo di vita della turbina. La conoscenza dello stack termico, inclusa l'efficienza del sistema di raffreddamento e la perdita di potenza nel tempo, consente di determinare le temperature dei dispositivi in funzione del tempo. Tenendo conto di ciò, è possibile stabilire l'affidabilità del modulo di potenza. Se la durata di vita non soddisfa i requisiti, sarà necessario un progetto termico migliorato. Questo processo iterativo viene ripetuto fino a quando non si trova un progetto che soddisfi i requisiti di durata di vita con un margine ragionevole.
Le analisi termiche sono state eseguite utilizzando FloTherm®, un software CFD 3D che consente di modellare non solo la conduzione attraverso gli elementi solidi dello stack termico, ma anche gli effetti del flusso di fluido attraverso la piastra fredda o il modulo ShowerPower®.
Sono state eseguite due analisi, confrontando Rth per i tre principi di raffreddamento utilizzando una miscela di glicole e acqua al 50%/50%.
È stata applicata una costante di dissipazione di potenza ai chip IGBT a singolo pin di un modulo P3 ed è stata registrata la temperatura massima del chip IGBT.
La Figura 6 mostra che il modulo senza piastra di base ha registrato una TJ di 138 °C. Il modulo standard con piastra di base e piastra di raffreddamento ha migliorato la soluzione senza piastra di base, raggiungendo una TJ di 120 °C. Infine, il sistema di raffreddamento ShowerPower® ha migliorato entrambi i record, raggiungendo una TJ di 97 °C.
In seguito, è stata condotta un'analisi transitoria delle tecnologie di raffreddamento (utilizzando nuovamente una miscela di glicole/acqua al 50%/50%) impiegando un profilo standard di turbina eolica a frequenze inferiori a 1 Hz.
In questo particolare esempio, le perdite del diodo sono leggermente superiori (modalità generatore) e, di conseguenza, anche le temperature del diodo sono leggermente più elevate. Sono state registrate le temperature sia dell'IGBT che del diodo a chip, e gli aumenti di temperatura e la temperatura media (Tmean) sono riportati di seguito.
Si può osservare che la soluzione senza piastra di base ha ottenuto risultati peggiori sia in termini di temperatura media che di Tmean, nonché di oscillazione di temperatura (DT), con valori rispettivamente di 75 °C e 43 °C per il diodo.
La soluzione con piastra di base standard e piastra di raffreddamento ha superato la soluzione senza piastra di base, raggiungendo una Tmean di 70 °C e una DT di 24 °C. Infine, la soluzione ShowerPower® ha nuovamente superato le altre due tecnologie, raggiungendo una Tmean di 60 °C e una DT di 23 °C. Gli stessi andamenti sono stati osservati per l'IGBT.
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Vantaggi di ShowerPower®
: Maggiore potenza di dissipazione.
In base all'analisi termica in Figura 6, la tabella seguente mostra di quanto può essere aumentata la potenza di dissipazione a regime mantenendo la stessa temperatura di giunzione dei semiconduttori di potenza.
ShowerPower® consente di raddoppiare la potenza di dissipazione nella soluzione a piastra fredda senza bisogno di una piastra di base.
Riduzione del fabbisogno di silicone.
Inoltre, ShowerPower® consente di dimezzare la quantità di silicone necessaria rispetto alla soluzione senza piastra di base.
vita utile
Poiché la durata di vita dipende strettamente dalla temperatura (ΔT e Tmedia), le Tabelle 1 e 2 mostrano chiaramente che una piastra di base aumenta drasticamente la durata di vita rispetto al modulo senza piastra di base, in quanto sia ΔT che Tmedia risultano ridotte. ShowerPower® aumenta ulteriormente la durata di vita perché Tmedia diminuisce. Anche in questo caso, ciò può essere utilizzato per offrire la stessa durata di vita delle soluzioni senza piastra di base e con piastra fredda, ma con una quantità di silicio significativamente inferiore, con conseguenti riduzioni sostanziali dei costi.
7. Test dei circuiti di raffreddamento a liquido diretto
Un sistema di raffreddamento a liquido con una durata di servizio di 15-20 anni deve essere progettato con cura per quanto riguarda la tenuta del liquido, la resistenza alla corrosione e le prestazioni costanti. La tenuta è un potenziale punto debole; tuttavia, i risultati dei test di durata accelerati hanno confermato l'affidabilità della soluzione scelta. Un altro risultato importante è ottenuto da vari test di prestazione a lungo termine. Vengono presentati i risultati rilevanti relativi alla stabilità del refrigerante, al comportamento alla corrosione dei materiali coinvolti e alla loro influenza sulle prestazioni di raffreddamento. La resistenza termica a lungo termine (Rth) e le prestazioni di tenuta vengono studiate utilizzando un banco prova speciale a lungo termine con una condizione limite di corrosione definita.
La tubazione del banco prova è realizzata esclusivamente in alluminio e materiali non metallici. Tutti i componenti non standard, come riscaldatori, flussimetri, pompe e sensori, sono progettati appositamente in alluminio o plastica resistente alle alte temperature. L'obiettivo era quello di ottenere un funzionamento a lungo termine a una temperatura del refrigerante di 105 °C, un punto di funzionamento sicuro per una miscela acqua/glicole al 50% con una sovrapressione di sistema di 1,5 bar. Il calore viene generato da un tubo riscaldante elettrico appositamente progettato. Per garantire stabilità termica ed efficienza energetica, l'intero banco prova è racchiuso in una piattaforma di prova metallica isolata e la registrazione dei dati viene effettuata dall'ambiente esterno più fresco, al di fuori della piattaforma.
L'efficienza Rth dei moduli di potenza viene determinata ogni 1000 ore su un banco di prova diverso a 25 °C. A tale scopo, i moduli di potenza vengono alimentati elettricamente e la potenza dissipata viene scaricata dal liquido di raffreddamento. La temperatura di giunzione dei semiconduttori viene misurata tramite termografia a infrarossi.
Il periodo di funzionamento a caldo viene interrotto ogni 5 giorni da 2 giorni a temperatura ambiente senza circolazione di liquido di raffreddamento. Ciò costringe la guarnizione (doppio O-ring) a muoversi all'interno della scanalatura, spinta dalle differenze di temperatura.
L'indagine inizia con moduli di potenza nuovi e non utilizzati con superfici standard (neutre) (AlSiC e placcate in Ni o Cu).
Durante i periodi di calore elevato, i moduli di potenza vengono riscaldati passivamente. Il refrigerante acqua/glicole è una miscela di acqua demineralizzata e glicole standard con inibitori di corrosione per alluminio e acciaio. L'inibitore è di tipo anodico e forma uno strato di passivazione sulle superfici in alluminio, prevenendo l'ossidazione del metallo. È necessario un attento controllo del dosaggio perché, se gli inibitori anodici vengono utilizzati a concentrazioni troppo basse, possono effettivamente esacerbare la corrosione per vaiolatura formando uno strato non uniforme con anodi localizzati [6,7].
La corretta miscela acqua/glicole viene monitorata settimanalmente mediante misurazioni dell'indice di rifrazione. Le figure 11 e 12 mostrano i risultati della misurazione Rthjw. Il materiale AlSiC presenta un comportamento Rth molto stabile nel tempo, con solo piccole variazioni iniziali dopo la formazione di un sottile strato protettivo di corrosione. L'inibitore di corrosione svolge un ruolo importante nel percorso termico, così come nella stabilità alla corrosione a lungo termine. Questo è dimostrato nello stesso esperimento, ma utilizzando materiale placcato in nichel o a base di rame, Figura 12.
Entro le prime 100-300 ore di funzionamento, la placcatura in nichel si ricopre di uno strato protettivo. Questo strato aumenta leggermente la resistenza al flusso, come si può osservare nella caduta di pressione del refrigerante riportata in Figura 13.
Per garantire prestazioni di raffreddamento costanti, anche durante la fase iniziale di formazione dello strato protettivo sulle superfici del sistema, si raccomanda di mantenere una velocità costante della pompa. Questa strategia assicura un trasferimento di calore uniforme dal modulo di potenza al liquido di raffreddamento.
Un secondo risultato positivo dell'osservazione a lungo termine è che non sono state rilevate perdite nei dispositivi in prova dopo il ciclo prolungato.
L'esperimento è stato condotto per un massimo di 8000 ore a 105 °C per consentire l'estrapolazione dei risultati a 20 anni di funzionamento a una temperatura del refrigerante di soli 45 °C.
8. Conclusione
Il raffreddamento a liquido diretto tramite ShowerPower® ha dimostrato di offrire numerosi vantaggi rispetto alle tecnologie di raffreddamento a liquido standard con piastre fredde: maggiore affidabilità, indipendentemente dall'applicazione (ad esempio, DFIG o FC), nonché riduzione di peso, dimensioni e costo complessivo del pacco batterie.
Inoltre, i test di durata accelerati hanno dimostrato che i problemi di corrosione e tenuta stagna sono sotto controllo, rendendo queste soluzioni affidabili per la durata di servizio di 20 anni richiesta dall'industria dell'energia eolica.
ShowerPower® rappresenterà la migliore scelta a livello globale per le future generazioni di convertitori a raffreddamento a liquido destinati all'industria
eolica.
Autore: Di: Klaus Olesen (
9. Letteratura
[1] M. Held et al. “Test rapido del ciclo di alimentazione per moduli IGBT in applicazioni di trazione”, Atti della conferenza PEDS 1997, Singapore, pp. 425-430.
[2] M.-H. Poech al, "Indagini sui meccanismi di danneggiamento dei legami di fili di alluminio utilizzati per applicazioni ad alta potenza". Proc. EUPAC 1996, pp. 128-131.
[3] K. Olesen et al., "ShowerPower® New Cooling Concept", Atti della conferenza PCIM 2004, Norimberga.
[4] F. Osterwald et al., “Innovative Kühltechnologie für Leistungsmodule”, Bauelemente der Leis-tungselektronik und ihre Anwendungen, 10.-11. Ottobre 2006, Bad Nauheim.
[5] R. Bredtmann et al., “”Power under the Hood” Increasing power densità of inverters with a novel 3D-approach”, APE, 25-26 marzo 2009, Parigi.
[6] Dr. Dmitri Kopeliovich, “Inibitori della corrosione anodica” 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
