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利用可蒸发的介电流体冷却汽车动力系统中的IGBT功率半导体 [摘要]为了混合电动汽车(HEV)和全电(EV)电子产品热管理而提出的液体冷却系统一直习惯于使用单相液体,通常是水与防冻剂(乙二醇或丙二醇)、腐蚀抑制剂或其他添加剂的的混合物。这些系统通常依赖于单相泵循环系统的显热传输。冷却液的选择是由行业规范通用性、系统需求、水的简单性和广泛的可用性以及其他方面决定的。使用可蒸发的电介质(VDF)泵循环液体冷却系统已经被证明和商业化为一个实用系统级热管理解决方案，适用于电气驱动中IGBT散热。将同样的液体和冷却系统概念应用在车辆动力系统的IGBT半导体电子驱动的冷却上，会在几个方面影响系统的设计,包括液体冷却剂热容、添加剂、安全、潜在的体积减少、和电气危害预防。本文讨论了使用新近发展起来的液体泵和等温液体冷板的两相系统的优势，以及把它们应用于车辆系统时的优点和缺点。 关键词: IGBT; 可蒸发的；介电的；液体冷却； 蒸发热；HEV； 车辆动力传动系统； 电池组 缩写和术语： FK 全氟已酮 HFC 氢氟烃 IGBT 绝缘闸双极晶体管 LCP 液体冷板 PAO 聚－?－烯烃 PEEM 电力电子和电机 R-134a 制冷剂（氢氟烃） HFO-1234yf 制冷剂 1 引 言 先介绍一个可供选择的利用泵驱动电介质液体的冷却技术。该系统使用一个低流量容积泵,两相流冷板,一个蒸汽冷凝器。该系统中所用的可蒸发电介质液体是R-134a——全球广泛使用的常规制冷剂。其他电介质液体也可以使用但要选择适当的泵并修改相应的组件。该系统概念已被开发和商业化，用于静态电气驱动和计算机系统。为多个电子系统的评估和运用所作的研发工作，包括军用车辆的电气驱动，商用车辆以及轨道车辆的牵引，都利用了为最初系统设计而开发的多个组件和分析。 1.1 电子系统的液体冷却 电子系统和组件的液体冷却是一个容易理解的热管理工具,用于一系列电子系统已经几十年了。 大多数液体冷却解决方案在传统空气冷却技术解决不了的情况或存在特殊应用的条件下（例如为在附近的其他相关系统提供某种冷质）使用，他们都使用水,这实际上是一种要求非常精细控制的冷却液，因为y对它的pH值,颗粒物和污染物的限制、电阻率、腐蚀保护和其他品质都有特别的要求。虽然有时液体冷却在电子系统被视为是一个外来的热学解决方案,实际上其技术广泛应用于全球电子行业相关领域。大量的专业厂家生产泵、冷凝器、LCPs、配件和其他组件为了满足工业需求被开发出来。 1.2 液体冷却剂的选择 最常见的电子产品热管理是单相液体冷却剂水,选择它主要是利用其相对的高比热容,广泛的可用性以及对商业应用而言其组份的数量 。水作为冷却剂用于电力电子和计算机系统可以是如下几种流体之一：去离子水，水和某种为了控制在极端温度下的水的性质而选取的乙二醇组成的混合物，或另一被过滤和控制以满足某些要求的水的变体。在一些具体的电子冷却系统中，对液体的纯度、腐蚀性、电阻率的需求可能非常特殊[1,2]。 在其他机载航空电子设备和应用中,一种常见的冷却液是合成烃(PAO)。在半导体制造设备,测试设备,某些类型的实验室仪器,机车牵引和其他专业市场的浸没冷却应用中,使用电介质液体冷却,如3M公司的Fluoroketone(FK)液体，已经有文献记录[3]。 使用每一种液体都代表一个工程系统性选择,它是由热/机械工程团队考虑到满足性能和成本要求和项目目标(对某些液体可用性和运输性,电力需求,场地变换的可行性等)而做出的。这些需求是针对每个应用类型,冷却液体的选择是液体冷却设计过程的一环。 冷却系统方案选择的一个重要点是选用单相还是两相液体系统,这主要取决于热源的热通量和为了达到最大热力性能的设计目标。全球电子产品热管理系统解决方案主要是使用单相液体冷却系统，冷却剂是水(去离子水或水/乙二醇混合物如丙二醇(PEG),或乙二醇(WEG)。深层的工程知识存在许多OEM企业、大学、研究机构中。全世界有一个庞大而完善的组件供应商基地。主要系统组件包括泵、热交换器、风扇、一个或多个液体冷板、过滤器、膨胀水箱、流量计和其他控制组件，以及去离子装置（在现场替换的去离子）。 单相的水／冷却也是全球汽车市场的主要液体冷却方案，它可用于内燃机（ICE）的冷却。同样的方案也适用于全球的牵引市场，内然－电力和电力驱动的客运与货运机车，高速列车，以及多种形式的电气设备和用于城市运输的轨道车辆。显然，使用单相的水冷是成熟的，并被证明是简单的，即使在引擎散热这一最简单的应用中，传统来说也不必考虑对温度相对敏感的功率半导体，微处理器和其他的电子设备。 使用吸入式可蒸发的介电液体系统在电子系统热管理中不常见。从历史上看,许多两相冷却的研究已在大学和工业界中进行,包括发电厂和其他非电子工业中的大型热交换和冷却系统。