该文档表明，ShowerPower® 冷却技术应用于标准主板电源模块，非常适合用于风力发电应用，可实现出色的散热性能，减小转换器的尺寸和重量，并降低成本。.
1. 引言
风力发电机变流器功率模块的直接液冷相比传统的间接液冷技术（例如目前风电行业常用的散热器（“冷板”））而言，是一种更可靠、更紧凑、更经济高效的解决方案。传统上，风力发电机功率变流器采用两种类型的功率模块，并搭配间接冷却的冷板。第一种是无底板模块，其中承载IGBT芯片和二极管的DCB基板直接安装在冷板上，无需典型的铜底板。这种设计省去了底板，从而降低了成本，并增加了散热器的热阻抗。第二种方案是使用带有平面底板的标准模块。虽然这些模块也增加了热阻抗，但底板利用铜的散热效应，有助于降低整体热阻抗和系统成本。这种设计确保了标准功率模块的双源供应（这是风电行业的必要条件），同时还具有模块批量销售带来的成本优势。
鉴于翅片式散热器因其定制设计和双源要求而在风能行业不受欢迎，基本上还有三种其他选择：
• 使用冷板和无底板的功率模块进行间接液冷；
• 使用冷板和标准功率模块进行间接液冷；
• 使用标准功率模块进行直接液冷。
对热堆进行了分析和比较。所有三种方案都将承受源自风能应用的典型任务剖面（描述整个使用寿命期间的载荷分布）。此外，还将讨论这三种方案的可靠性影响。
由于直接液冷系统相比需要导热界面材料（TIM）层的封闭式冷却系统具有更优异的性能，因此值得考虑将其作为克服泄漏风险以及与开放式液冷设计相关的其他问题的一种方法。
2. 负载下的功率模块故障机制
功率模块冷却的重要性在于，功率模块最终必然会失效，只是时间早晚的问题。故障机制取决于模块长期承受的负载以及温度：温度越低，失效风险越低。因此，高效冷却是实现高性价比、高可靠性转换器设计的关键。
功率模块由多种材料组成，这些材料具有不同的材料特性，例如热膨胀系数 (CTE)、弹性模量和强度。术语“热堆”用于描述构成功率模块的这种热机械组合材料。热堆中不同材料特性的差异会导致温度变化时的热机械运动，从而产生应力和应变，最终可能导致疲劳失效。主要的失效模式是键合线疲劳和焊接接头退化。.
除了与导热界面材料（TIM）层相关的“干涸”和“泵出”效应外，键合电缆疲劳是风力发电机变流器功率模块的主要失效模式。由于硅芯片和铝制键合电缆之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，加上循环温度变化（断电和通电），会导致键合电缆失效，最终造成灾难性故障。目前已有多种模型可用于评估键合电缆寿命与载荷随时间变化（任务剖面）和热条件的关系[1, 2]。.
3. 风电应用
从馈电周期角度来看，主电流变换器系统可简化为三种基本拓扑结构：双馈感应发电机 (DFIG)、带齿轮的全变换器 (FC) 和无齿轮（也称为直接驱动）变换器 (DD)。这些不同的拓扑结构以其主要工作频率为特征。由于电网运行频率与额定频率不同，因此其功率曲线也不同。此外，根据控制策略和发电机设计，不同的拓扑结构会导致二极管和IGBT之间不同的开关模式，从而影响最终的疲劳效应。
双馈感应发电机 (DFIG) 和燃料电池 (FC) 风力发电机的任务曲线在热循环的频率分布上有所不同。虽然 DFIG 的总功率损耗较低，但其任务曲线中占主导地位的缓慢温度循环会导致功率模块更大的损坏。直接液冷有助于降低模块的平均温度和温升，这两者对于满足典型规格要求都至关重要。燃料电池风力发电机的功率模块必须应对更高的平均功率损耗。因此，降低平均温度至关重要。利用 ShowerPower® 冷却设计的灵活性，通过对功率模块进行直接液冷可以完美地实现这一目标。.
4. ShowerPower®
ShowerPower® 是丹佛斯公司开发的一种直接液冷技术。其主要特点是：
• 能够在平面底板和模块系统上均匀冷却大型功率模块，消除温度梯度，延长使用寿命，并便于多个功率芯片的并联放置。
• 无与导热界面材料 (TIM) 相关的泵出或干涸效应
。• 极低的压降差
。• 支持紧凑、轻量化和高品质的三维设计。
• 低成本：金属到塑料的转换，只需简单的塑料部件即可完成。
该概念的关键在于“ShowerPower®涡轮导流器”，它引导冷却剂沿模块底板流入平行的冷却单元，从而确保模块内部温度均匀。
如果局部过热需要额外处理，该概念允许进行定制冷却；只需单独设计冷却通道即可实现。
ShowerPower® 涡轮增压器与歧管垫片配合使用，用于在标准 IGBT 底板下方分配冷却液。
更多信息，请参阅[3-5]。
5. 间接冷却与直接冷却
：直接液冷无需传统方式在电源模块背面和冷板之间使用导热界面材料（TIM）层。由于TIM层占总热阻（Rth，反向热结合）的30%–50%，因此去除TIM层可以改善电源模块的散热环境。鉴于温度驱动的失效机制是电源模块失效的主要原因，这可以提高可靠性。
对三种热堆的瞬态热阻抗进行了比较：
• 无冷板底座的模块
• 带冷板底座的模块
• 带 ShowerPower® 底座的模块
图表显示三种解决方案的性能差异显著：由于底板的热时间常数，与带底板的模块相比，不带底板的模块的阈值阻抗 (Zth) 在 60-70 毫秒时开始上升；1 秒时的阻抗是带底板模块的两倍，这意味着 1 Hz 的功率循环会导致不带底板的模块温度升高两倍。不带底板的模块的稳态阈值电阻 (Rth) 也是 ShowerPower® 配置的两倍。
在约 1.5 秒时，带冷板的模块的阈值阻抗曲线开始与 ShowerPower® 曲线出现偏差，表明对于低于约 0.6 Hz 的频率，冷板方案的温度升高幅度将大于 ShowerPower® 方案。
6. ShowerPower® 用于风力涡轮机变流器的直接液冷：
风力涡轮机制造商了解涡轮机整个生命周期内的能量负载。通过了解热堆（包括冷却器效率和随时间推移的功率损耗），可以得出随时间变化的器件温度。考虑到这一点，可以确定功率模块的可靠性。如果寿命不符合要求，则需要改进散热设计。重复此迭代过程，直到找到一种既满足寿命要求又具有合理裕量的设计方案。
使用 FloTherm®（一款三维 CFD 软件）进行热分析。该软件不仅可以模拟热堆固体元件的热传导，还可以模拟流体流经冷板或 ShowerPower® 模块的影响。
进行了两项分析，比较了三种冷却方式在 50%/50% 乙二醇/水混合溶剂中的热阻 (Rth)。
对P3模块的单腿IGBT芯片施加功率损耗常数，并记录IGBT芯片的最高温度。
图6显示，无底板模块的结温（TJ）为138°C。带有底板和冷板的标准模块相比无底板方案有所改进，结温降至120°C。最后，ShowerPower®冷却器进一步提升了两项记录，结温降至97°C。
接下来，我们采用标准风力涡轮机曲线，在低于 1 Hz 的频率下，对冷却技术进行了瞬态分析（再次使用乙二醇/水 50%/50%）。.
在这个例子中，二极管损耗略高（发生器模式），因此二极管温度也略高。我们记录了IGBT和芯片二极管的温度，温升和平均温度（Tmean）如下所示。
可以看出，没有基板的方案在平均温度、Tmean以及温差（DT）方面表现更差，二极管的这两个值分别为75°C和43°C。
采用冷板解决方案的标准底板性能优于不带底板的解决方案，其平均温度 (Tmean) 达到 70°C，温差 (DT) 达到 24°C。最后，ShowerPower® 解决方案再次优于其他两种技术，其平均温度 (Tmean) 达到 60°C，温差 (DT) 达到 23°C。IGBT 也观察到了相同的趋势。.
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ShowerPower® 的优势
：提高散热功率。
根据图 6 中的热分析，下表显示了在保持功率半导体结温不变的情况下，稳态散热功率可以提高多少。
ShowerPower® 使您无需底板即可将冷板解决方案的散热能力提高一倍。.
减少硅胶用量。
此外，与无底板方案相比，ShowerPower® 可将硅胶用量减少一半。
使用寿命
由于器件寿命与温度（温差和平均温度）密切相关，表 1 和表 2 清晰地表明，与无底板的模块相比，底板能够显著延长器件寿命，因为温差和平均温度均有所降低。ShowerPower® 技术进一步延长了器件寿命，因为平均温度也随之降低。因此，我们可以利用这一优势，在显著减少硅用量的情况下，实现与无底板和冷板方案相同的器件寿命，从而大幅降低成本。.
7. 直接液冷回路测试
使用寿命为15-20年的液冷系统必须经过精心设计，以确保液封性、耐腐蚀性和性能稳定性。密封性是潜在的薄弱环节；然而，加速寿命试验结果证实了所选方案的可靠性。另一项重要成果来自各种长期性能测试。本文介绍了有关冷却液稳定性、相关材料的腐蚀行为及其对冷却性能影响的相关结果。利用具有特定腐蚀极限条件的专用长期试验台，研究了长期Rth和密封性能。
测试台的管路全部采用铝和非金属材料制成。所有非标组件，例如加热器、流量计、泵和传感器，均采用铝或耐高温塑料专门设计。目标是在105°C的冷却液温度下实现长期运行，该温度是50%水/乙二醇混合物在1.5 bar系统过压下的安全工作点。热量由专门设计的电加热管产生。为了保证热稳定性和能源效率，整个测试台被封装在一个隔热的金属测试平台内，数据记录则在平台外部较冷的环境中进行。.
每隔1000小时，在25°C的不同测试台上测定功率模块的Rth效率。为此，功率模块通电运行，耗散的功率由冷却剂排出。半导体的结温采用红外热成像技术测量。.
每隔5天，热运行周期会中断2天，进入常温运行状态，期间不进行冷却液循环。这样，在温差的作用下，密封件（双O型圈）会在沟槽内移动。.
本研究首先使用全新未使用的、表面未经处理的功率模块（表面为标准空白表面，AlSiC 和镀镍或镀铜）。
在高温运行期间，功率模块采用被动加热方式。冷却液为水/乙二醇混合物，由去离子水和添加了铝钢缓蚀剂的标准乙二醇组成。该缓蚀剂为阳极型，可在铝表面形成钝化层，防止金属氧化。必须严格控制缓蚀剂的用量，因为如果浓度过低，反而会形成不均匀的局部阳极层，从而加剧点蚀[6,7]。
每周通过折射率测量来监测水/乙二醇混合物的浓度。图 11 和图 12 显示了 Rthjw 的测量结果。AlSiC 材料的 Rth 值随时间推移表现出非常稳定的特性，仅在形成一层薄的保护性腐蚀层后初期出现轻微波动。缓蚀剂在热传导路径以及长期腐蚀稳定性方面都发挥着重要作用。如图 12 所示，在同一实验中，使用镀镍或铜基材料也观察到了同样的结果。
镍镀层在运行最初的100-300小时内会形成一层保护层。如图13所示的制冷剂压降所示，这层保护层会略微增加流动阻力。.
为确保冷却性能稳定，即使在系统表面保护层形成的初始阶段，也建议保持恒定的泵速。这种策略能够确保功率模块向冷却液的热量传递始终如一。.
长期观测的第二个成功之处在于，长期循环后被测设备（DUT）未发现任何泄漏。
该实验在105°C下进行了长达8000小时，以便将结果外推至制冷剂温度仅为45°C的情况下运行20年的情况。
8. 结论
采用 ShowerPower® 的直接液冷技术已被证明比采用冷板的标准液冷技术具有多项优势：无论应用场景（例如双馈感应发电机或燃料电池），其可靠性均有所提高；此外，重量、尺寸和整体功率堆成本也得以降低。
加速寿命试验表明，该技术能够有效控制腐蚀和水密性问题，使其能够满足风能行业所需的 20 年使用寿命。
ShowerPower® 将成为未来几代风电行业液冷转换器的最佳全球选择
。
作者： 作者：克劳斯·奥莱森（Klaus Olesen）
9. 文献
[1] M. Held 等人。 “牵引应用中 IGBT 模块的快速功率循环测试”，PEDS 会议记录 1997 年，新加坡，第 425-430 页。
[2] M.-H。 Poech al，“对用于高功率应用的铝线键合损坏机制的研究。”过程。 EUPAC 1996，第 128-131 页。
[3] K. Olesen 等人，“ShowerPower® 新冷却概念”，2004 年 PCIM 会议论文集，纽伦堡。
[4] F. Osterwald 等人，“Innovative Kühltechnologie für Leistungsmodule”，Bauelemente der Leis-tungselektronik und ihre Anwendungen，10.-11。 2006 年 10 月，巴特瑙海姆。
[5] R. Bredtmann 等人，““Power under the hood”通过新颖的 3D 方法提高逆变器的功率密度”，APE，2009 年 3 月 25-26 日，巴黎。
[6] Dmitri Kopeliovich 博士，“阳极腐蚀抑制剂”www.substech.com
[7] H.-D.举办，“Kühlwasser; Verfahren und Systeme der Aufbereitung, Behandlung und Kühlung von Süßwasser-Brackwasser-Meerwasser zur industriellen Nutzung” 5. Auflage
