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

1、利用可蒸发中介翩馨导车动力系统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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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，内然一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

7、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。在计算机和电子产品方面，开发工作包括IBM公司的液体封装模块(LEM)的概念，从1970年代早期到最近的研究和生产水冷或制冷剂冷却用于大型企业4。当前重要的研究和开发工作一直持续，包括液体沸腾和液体浸入，这些研究由大学，研究机构和一个液体冷质应用商(3M)做出的5。1.3为什么用泵式可蒸发的介电流体解决方案随着源热通量的迅速增加，对热管理

8、解决方案的改进很强的市场需求导致两相系统重新受到重视，因为相对单相液体冷却，前者提供了一个实用和经济的解决方案。对热能工程师而言，开发和使用利用泵而不是压缩机(如用于蒸气循环制冷)的两相系统能为他们的工具箱额外多产生一个工具,它不需要进一步完整的蒸汽压缩制冷循环。当环控冷却不是必需的时候，两相热管理系统可能适合于混合电动汽车中的逆变器设计。与单相液体系统比,两相液体系统设计的主要目标是驾驭由沸腾现象带来的整体的热性能的大幅提升。对两相系统而言，典型的经验法则是汽化热将带来两到四倍总的热传输能力的提升。汽化热可用在简单而有效的热管，以及广泛应用于电子系统的蒸气室设计中。热管和蒸气室原理都很清除，

9、他们代表一个非常有用的组件，可以很容易地用来解决热的问题而不会用到泵，压缩机，和其他闭环液体冷却系统的组件。然而，热管和蒸汽室设计的总容量要大大低于使用泵的两相系统。在操作过程中，使用泵的VDF热管理系统是可以自我优化的。系统操作可由热负荷来控制：随着电力负荷的增加，交换和散热增加,沸腾的数量增加从而降低电力负荷。随着电力负荷减少工作放缓，沸腾率降低。对两相系统而言，这些近乎即时的变化提供了一种自我调节功能。在单相水和热管道和蒸汽室都被考虑后，使用泵的两相系统提供了一个很好的中间步骤。两相系统利用了热蒸发原理，泵带来的好处是可以倍增排放潜热的能力。为什么传统的蒸汽循环压缩的下一步不是直接使用制

10、冷以及获得小环境冷却带来的好处。对高热通量的热管理而言，制冷提供了一种优秀和紧凑的解决方案。当要求最高的工作温度伴随着相当小环境温度提升时，蒸汽循环压缩是必须的；典型的情形是某些电池技术。传统的蒸汽压缩循环系统的局限性是缺乏在连续工作5000小时下足够的可靠性，最小的压缩机尺寸，以及管理蒸发器温度和头压时的复杂性。此外，在某些系统设计时，在电子电路附近要考虑到露点和冷凝。高的内部压力和安全问题冷；却剂损失的需求（如在军事航空航天设计）；成本的增加。系统设计时的具体要求将决定选取的热管理系统，这在每个工业部门都是不同的，没有一个概念或技术时通用的。采用液体冷板（即，接触或触摸”热源之间的传热和第

11、一级热组件）的两相液体系统的非常重要的次级目标是是获得等温或近似等温冷板安装面。这一特征概括地就是一个典型的用来冷却IGBT功率半导体元件的液体冷板可能在安装多个高热源组件的强况下，表面显示出小于1C的温度变化（如150-200mm长度）。考虑两相冷却时，减少物理体积和重量是另外次要目标。传统的风冷铝挤压散热器是十分常见的，是一个相对便宜的热管理解决方案。然而，为高功率耗散模块使用严格的气冷式热管理技术会需要相当大的物理体积，以处理大量的热量消散。所需的物理体积和风扇，散热片所需的成本，为容纳电气母线适应所需的间距,橱柜，和其他因素可能会通过使用更有效的冷却介质，如液体，来减少。利用液体冷却解

12、决方案会使系统功率密度增加或者，作为另一个设计目标，降低系统的总的物理体积。单相液体系统可能不会完成整个系统的减重,而两相液体系统的效率可以导致物理体积和整体重量的减少。系统概念和热性能2.1制冷剂作为冷却剂的热性能使用可蒸发的介电液体作为泵式可蒸发的介电流体系统的冷却剂已经被研究和开发，并作为在一个大型企业服务器系统中的计算机系统（每个处理器散热400W）的热管理方案。67一种合适的流体是r-134a,它是一种无处不在的商用流体，可用在汽车的制冷系统和许多种商业和工业应用中。表1比较了r-134a和水的热学性能。表1冷却剂水和RT34a的比较冷却剂冷却剂温升冷却1kW热量所需流量水5C2.9

13、l/minR-134a(40C)保持40C0.35l/min大量的供应商可提供r-134a制冷剂，它成本低，可应用于许多类型的制冷系统。对系统设计工程师很重要的是,有非常多类型的油管、连接器、冷凝器、导管和其他组件几十年来被开发并应用在基于r-134a的制冷系统中。这各种各样的系统组件的可用性增加了设计的灵活性，成熟的生产过程提供了节约成本的潜在可能性；并包含了令人信服的可靠性，例如，几十年来为商用制冷系统制造的可快速断开的连接器和导管。对电气系统设计而言，安全考虑是很重要的。作为电介质，统泄漏仅导致流体的蒸发，生成合理数量的无毒物质。在发生泄漏时,r-134a液体会蒸发掉而不会损坏电子元件。

14、2.2主要组成开发泵式VDF系统用来冷却功率半导体器件。这种冷却系统在一个为工业和发电应用程序而设计的电力驱动系统中的概念实现已经完并被测试。成本、冷却性能，减少的体积，净的系统容量的增加都被记录下来。该系统概念的实际应用,包括替代风冷和水冷的电力驱动，最近已进入工业电气驱动器的生产阶段8,。其他应用正在被检验。两相介电流体冷却系统的主要组件：A一个或多个热源的并行或串行液体冷板式蒸发器，带导管和连接器；B为电介质液体设计的低流量泵；C冷凝器（热交换器），用来传输热负荷到环境空气或液体中去（或其他最终冷源）；D每个系统设计规范的辅助组件,可能包括一个过滤器/干燥机、气/液分离器、流量计和其它控

15、制器、膨胀水箱。图1组件和VDF系统组件的相对位置许多现有的换热器设计可以用于冷凝器，它可能是液一气体或液一液之间的热交换。为许多不同类型的水冷却系统设计的热交换器，包括管翅式和套管式，一般可以从供应商买到。它们可以应用两相液体系统中。如果需要，冷凝器可以放置在离系统远一些的地方；车辆应用中的一个例子是把它放置在发动机冷却液散热器旁边。如果指定，气液分离器可作为液体收集器，返回100%液体到泵的吸入口和发送蒸汽到冷凝器。现有液体冷板走水的冷却系统（或其他冷却剂）可能需要修改内部歧管装置和通道间隔，以便于使用在VDF系统中，这反映了r-134a比水更低的粘度。液体和蒸汽阶段的流体行为可通过修改来

16、优化。泵式两相介质系统的一个关键属性是液体冷板表面和冷板阵列的等温性能。等温表面（或近似等温）消除对热堆积”。最初，冷板在最低温度下运行并慢慢地被下游设备预热。两相介质冷板的性能测试显示，例如，在有多个热源时冷板表面温度变化小于1C。系统操作的关键是泵，它是专门为使用介电液体设计的。一些泵利用介电流体作为泵轴承和绕组冷却剂，流体在绕组中流动并于轴承直接接触。在这些设计中，一小部分常见的轴承润滑添加到电介质，用以提供所需的轴承润滑。其他泵的设计可能有一个密封的泵头。选择合适的泵对系统设计和可靠性都是至关重要的。额外的组件可能包括一个干燥机、为冷板或在模块化子系统的快速脱开配件,以及压力表。分配器

17、是用来正确提供流体到冷板;这些都是制冷行业的常用组件。水液体冷却系统与泵驱动可蒸发电介质系统的比较可以表明，后者可以大大减小流量。计算显示（表1）对VDF系统而言，所需的流量更低。低流体流量的系统设计的价值是:在冷却系统中使用一个更小的泵、小的水箱、更小体积的液体、小管直径和其他组件。与那些提供同等散热要求的水系统相比，VDF系统组件的成本会减少。较小的组件尺寸和液体体积导致了系统重量和整体物理体积的降低,这在功率半导体应用领域中是非常重要的。降低冷却系统大小意味着可以减少在其他机械系统的组件，包括金属板和其他外壳组件。*亠InpLrtparaimieMrs-图2系统级VDF运行模型，3kw热

18、负荷到冷板和给定的环境温度，计算液体流量和模和冷板的温度。2.3VDF制冷系统设计特性两相系统的环境温度变化可以在系统工作时得到补偿，系统工作时压力和温度可相对四周环境“浮动”。正常系统设计根据已知流体的物理性质考虑最大系统电力负荷，最大预期的环境条件,系统压力和流体温度。对于一个给定的系统压力、需要的流体温度可以从流体性质的参考图表里找到。系统设计的整体目标是在液体冷板的出口处，选择一个蒸汽质量的最大值；蒸汽质量出口典型值是70%。（蒸汽质量是指蒸汽和总流体的比例（总流体中70%是蒸汽）。设定一个最大蒸汽质量值是一个重要的系统安全要求，用以防止发生在液体冷板“干涸”现象。这些系统的自优化特性

19、前面已被确认。对系统控制机理而言，这是一个重要的属性。系统设计的一个重要的需求是确保100%液体返回泵的吸入口，以最大限度地提高泵的性能。这个目标会通过指定一个最小能力的冷凝器，保持适当的重力返回泵,通过放置的组件以确保适当的系统操作来实现。系统设计工程师可能度通过调节系统工作压力来设置介冷却液的饱和温度。原则上说，这有利于热管理和系统组件的设计和成本：系统流体饱和温度可以通过设置一个更高的系统操作压力来增加；更高的流体饱和温度将使接触点温度更高（在设备冷却的范围内）；设定更高的操作温度（可行的设备）添加了系统设计的另一属性：或者使用一个较小的电容器，进一步降低系统的大小，或降低气流，以减少超

20、声噪声,功耗或高环境条件的能力耗散。其他影响系统设计的VDF制冷循环概念的关键点包含；系统依靠重力供水；位于相同的冷却循环中，泵必须低于液体冷板块位下；换热器必须位于冷板块之上；热交换器可能是液一气（传统管翅式）或液一水（外部冷冻水或冷却塔管壳式）；液体冷却可用在关键的高热源系统设计中，为其他领域的寄生加热而使用的风冷设计，如电容器。这些决策是依赖于设计的。2.4制冷剂运行的最高温度因为两相泵系统是一个加压系统，重要的是要注意由于没有使用压缩机，因此，也没有机会在小环境温度下运行。在泵式两相系统中最低流体温度是热交换器的介质温度。在设计上，这反映了系统工作压力已被选为一个预期的最大系统环境温度

21、。这在讨论车辆系统时特别重要，因为哪里的电池池组或超电容板也必须冷却。锂离子电池组需要40C的最高工作温度。例如，假设一个重型卡车或工程车辆必须工作在32-35C的室外环境中，表明仅蒸汽压缩制冷循环系统能提供合理的冷却电池组。理想情况下，一个液体冷却系统冷却混合动力汽车动力系统的逆变器和电池组将降低系统复杂性和成本。然而在假定的32-35C室外环境温度下，有限的热净空空间来冷却电池组将要求其他设计因素以保持最高40C电池组外壳温度。对超电容板和其他类型的电池技术而言，其最高工作温度不太受到严格限制，两相注入液体冷却系统对它们来说可能是一个适当的选择。这些VDF冷却系统被认为是制冷剂不可知论。其

22、他一些可蒸发的电介质液体,如重燃料油-1234yf,可以被使用或变的可行。一个例子就是在预期非常高的系统操作温度时的解决方案可能是选择一种制冷剂，一个为高温模式而开发的化学品。设计某些类型的电力电子系统时必须考虑到异常的高温操作条件，如脉冲操作或其他要求。当水在这类系统中使用（如果可能的话），需要使用除藻类的药和杀菌剂阻止藻类和其他生物生长。脉冲激光系统就是这样的一个例子。通常情况下,不需要生物控制剂或其他添加剂加到使用r-134a或重燃料油-1234yf（作为一个未来的替代）作为制冷剂的两相介电液体系统中。2.5制冷剂运行最低温度制冷剂或其他可蒸发的介电液，它们代替水作为冷却剂用于电子系统不

23、需要添加乙二醇作为温度保护，即使是零下的温度。因此，不需要热降额。对乙二醇/水系统而言，降额可以是很大的，对最具挑战性的铁路牵引值而言（比如提供给俄罗斯的铁路机车其冷启动的需求-55C），降额可到35%或更大。750KW/1000马力驱动系统设计原型3.1系统设计一个为工业和商业应用程序开发的完整的三相电驱动系统包含了不同的热解决方案以对付主要热源和单独的IGBT半导体器件。因为本系统是为静态的大型工业传动系统而设计的,热管理系统设计和性能的描述和结果可以和水冷系统比较。这些比较对性能分析，系统紧凑话以及满足HEV逆变器和相关子系统的车辆系统需求，是很有用的。图3模块化系统设计的例子与液体冷板

24、托盘,由三个平行的液体冷盘子和1700伏IGBT模块，托盘快速断开进口/出口流体流动，和金属板托盘载体组成每个冷却系统配置测试利用相同的IGBT模块类型,一个双1700v450包装模块,在行业标准包装设计中称为EconoDUAL设计10。类似的包装设计在几种半导体制造中是常见的。模块足迹的长度大约为122mm，宽度为62mm；这些模块有一个标准厚度的大而平的镀镍的铜基板作为主要的热扩散组件。通常，六个大的IGBT模和六个小的二极管模以这样的格式部署以组成2个IGBT模和两个二极管模，直接焊接到铜（DBC）包含陶瓷介电层和另外的铜层的直接敷铜（DBC）基板上。DBC基板焊接到镀镍的铜基板上。这些

25、都是中电压模块，可用于许多工业电气驱动系统，包括发电机、海洋驱动系统，电梯，和电机驱动器。三个IGBT模块连接在一个机电装配中（如图3所示），可由下面两种方式之一来配置：三相桥；单一的双开关，并行操作。模块和系统操作负载和测试来自半导体制造商的生产模块作为系统测试的功能模块。出于测试目的，制造商做了一个改变：内部保护凝胶没有应用在模具和DBC阵列中，应用黑漆来提高辐射率，以及用红外摄像机来测量模的温度。每个IGBT模块中的模的工作温度测量都是当几种条件下用功率来模拟驱动系统负载时，由热感摄像机完成。为了达到IGBT最大允许结温度120。C，原型装配样机的每个类型的冷却解决方案的最大模块负载都进

26、行了测量。基于行业实践以及在重型牵引应用经历的典型负载周期，选取了如下两个对这些和更高电压IGBT都常见的试验条件：1100%稳态负载；2持续10s以及220%过载的负载情形。过载能力对是运行在工业电机驱动系统，牵引驱动系统以及其他通常情况下的功率半导体的日常操作是重要的。对于电力系统而言，热管理系统处理预期的过载情形的能力是非常重要的，这可以避免灾难性的失败。系统评价时过载条件的选择来自选择的牵引市场的需求。热解决方案描述和测试用例在这种驱动系统种，测试了五个基本的热解决方案的概念。这些概念包括当前生产的风冷板组件和新近发展起来的冷板。每个热解决方案的简要描述见表2。表2换流器测试工况热解决

27、方案描述流量（L/min）A强迫风冷铝板，14:1翅片，150CFM风量N/AB冷板水冷（标准的）铜管埋在铝板中7.57C冷板水冷（定做的）D形铜管回路阵列7.57D冷板水冷（定做的）铝板铝翅片7.57ElVDFR-134a冷板(450AIGBT)铜板铜翅片1.51E2VDFR-134a冷板(225AIGBT)铜板铜翅片1.51图4不同热管理技术热性能的比较，基于一个750千瓦/1000马力逆变器驱动系统采用标准的1700伏交流电IGBT模块。参考表2中热管理技术测试的描述。VDF冷却的电力电子系统中的实际问题4.1系统设计VDF冷却循环的系统硬件设计有一些正面的属性，虽然成本比较和分可能是一

28、个需要单独讨论的话题；为了提供了一个合理的成本和其他主要属性的总结，还是做了某些近似的估计。一个基本子系统，如单相装配，如图3所示；对一个模块化的系统设计方法而言，这可以作为基本的构件。在这些模块放置的通用组件与基于一个共同平台的热解决方案允许为各种热解决方案作测试的散热片和冷板之间的互换。于用水冷的系统相比用VDF冷却系统建立起来的电气驱动测试系统只需要很低的流体速度（表2）。与传统的水冷却系统相比，被测试的泵的功耗是一种常见的问题，它的抽力更小。使用全铜液体冷板热源的VDF氟系统来冷却1千瓦负荷时，泵消耗的功率为12w。使用水冷系统，同样的负荷（工况B,如表2所示的逆变器测试情形）在用铝液

29、体冷板的情况下是295W。在VDF冷却系统中，泵与风机的寄生损失减少了。液体冷板的各种内部结构的完整分析可以参考文献6。另外，电气驱动系统测试的细节，各种冷却技术（工况总结在表2中，结果如图4所示）的系统结构和比较测试数据，可参考文献8,9。这些电驱动系统，通常基于行业标准1700VAC，450A和225A的IGBT设备，是静态的柜式设备，可用于制造厂、发电厂和其他工业应用中。作为一个例子，系统的占地达到500毫米（宽）X600（深）X2000毫米（高）。使用VDF冷却系统概念可降低物理体积（与风冷和水冷系统相比），即从大约2.5柜减少到1柜。一个为实验室测试的演示系统如图5和图6所示。某些组

30、件以一个星号（*）表示，它们是用于数据采集的传感器和流量计，它们也不会被整合到一个商业系统设计中。这种类型的系统可用来构建达到18-27kW的电驱动系统，总的物理体积和重量的减少（认识到较小的泵，较小的元件部分包括某些情况下的电线束和较小的冷凝器，以及所需的冷却剂总量的减少）是很显著的，并可以影响最终产品整体设计，如用于混合动力汽车逆变器所需的冷却系统，以及潜在的成本的节省。图5主要部件的模块化概念演示系统:泵模块。（注:星号（*）标识安装的组件用于数据采集。不是所有的组件,如一个过滤器/烘干机，都要求生产系统设计。）图6液一液冷凝器模块安装在有传感器和测量组件的演示系统。图7在快速连接模块中

31、的多个电介质流体泵图8VDF液体冷板，展示流体歧管装置和冷板内复杂的流道结构（在盖板总成和钎焊之前）。安装在车辆混合动力系统，为逆变器测试而设计的40mmx130mmIGBT模块。II图9VDF液体冷板模块化托盘总成固定电驱动,展示了为单相1700IGBT设备安装的多个冷板。串行流程安排。图10紧凑型液液冷凝器安装在可快速拆卸的模块化托盘,安装远离逆变器系统外壳。VDF冷却应用于混合动力汽车逆变器系统的实际问题5.1多重挑战，许多潜在的应用广义上定义，汽车行业部门包括了许多不同类型的地面车辆：建设和农业车辆（CAV）,越野重型卡车和运输车辆军事地面车辆，包括装甲和履带车轻型和中型卡车客运汽车地

32、面车辆的市场定义的广义解释还可以包括铁路和运输车辆,经常被称为牵引或铁路牵引市场：高速客运机车和电力汽车重载货运机车开关和其他轻型机车运输车辆如轻轨车辆（车），以前也称为有轨电车和缆车多个电动单元(EMU)列车组，由两个或两个以上的重型轨道交通系统组成。这些工业部门对电力电子行业领域有非常不同的要求，具体来说，是一种或另一种类型的混合动力驱动。典型的混合动力电动汽车是采用轻度混合或完全混合的客车；一个有名的例子是本田Insight为其轻度混合逆变器使用风冷，并将逆变器和电池组放在后备箱中。没有任何类型的液体冷却系统可用于电力电子。相比之下，重型军用运输卡车和大型采矿车需要逆变器有更高的输出功率

33、，并对电池组也有不同的要求。例如，关于军用车辆一般的说法是与为长时间工作的能量相比，更多的功率输出更重要，这一特点与要求预期的电力电子和电机(PEEM)的小型客车明显不同。试图详细的列出每一类车辆的PEEM需求的范围以及每个车辆类型相匹配的冷却系统超出了这个报告的范围。然而，对混合动力电动车(HEV)、完整的电动车(EV)和燃料电池(FCEV)和使用未来其他替代能源的地面车辆的总体设计目标明显包括：特定的功率(kW/kg)功率密度(kW/l)成本(美元/kW)总体系统设计目标已经为几个车辆工业部门准备好，以客车为例115.2混合动力汽车/电动汽车的热管理技术各种各样的热管理技术应用于汽车的电力

34、电子设备。表3中给出了一个提要，来自于技术和最高环境温度的典型例子。例如，在本例中，使用“环境”一词来形容一个温度值是指常用作ICE冷质的EGW混合物的预期入口温度。温度通常在95-105C之间。表3典型的用于电力电子和电机(PEEM)热管理的混合动力/电动汽车冷却剂车辆PEEM冷却技术制冷剂最高温度强迫风冷60C单独的液体冷却循环系统80C引擎液体冷却循环系统95-105C变压器油液体冷却循环系统125C表4列出了适典型的高速公路车辆的类型，包括轻度混合动力汽车，客运汽车,重型卡车和更专业的车辆的电力电子设备的环境和典型的冷却条件。决定冷却需求的关键是电子和电机组件的物理位置。引擎盖下的环境

35、温度通常是汽车的最高温度。表4典型的混合动力/电动汽车PEEM环境和热管理要求环境条件强迫风冷单独流体冷却回路引擎流体冷却回路变速器冷却回路环境温度-40到85C-40到105C-40到105C-40到140C制冷剂温度-40到65C-40到85C-40到125C-40到150C热循环中高高非常高功率循环中高高高摆动5g10g10g20g震动50g100g100g400g评估混合动力/电动汽车的VDF冷却系统的应用是单独的液体冷却电路是人们所希望的。它的主要优势是能够降低到冷板的液体的入口温度，比较起来，使用ICE液体冷却电路，在给定发动机的冷却液温度时，存在最小的热空间。选择PEEM系统的拓

36、扑结构将决定需要哪些电器元件以及相应的冷却。从广义的车辆描述出发，PEEM的应用包括：直流/交流换流器高压电源直流/直流转换器直流/直流增强转换器（使用时）其他辅助驱动，如电子动力转向电机电池组或电容阵列在应用牵引细分市场的汽车和混合动力和电动汽车的包装和热管理的挑战，也许能够被VDF冷却系统，以及在成本和性能基础上接受的单独的液体冷却循环克服,包括：高温环境的操作控制内部自动加热高功率密度更低重量和体积的要求潜在的更高可靠性未来应用的潜力使用碳化硅和宽禁带电力电子器件的未来挑战可能会通过使用单独的VDF冷却回路，包括上述和具有更高工作温度的碳化硅器件，潜在的双面冷却，和其他可替代的半导体封装

37、来克服。对于有或没有集成基板的IGBT模块，以及带有各种可用模块封装类型的IGBT模块，可以考虑使用HEV/EV逆变器冷却14,1。开发新的，潜在的低全球暖化（GWP）的制冷剂，如HF0-1234yf，还在进行中，目标是满足汽车工业的需求。使用这种液体的意图是替代现有的制冷剂如r-134a,用于自动客舱空调系统和其他应用程序。所以，HF0-1234yf预计替代用于VDF冷却系统的制冷剂13。电池如锂离子技术，最高工作温度必须保持在40C,这种相对较低的最高温度可能排除使用某些类型的液体冷却电路。而电池组的可能功耗相当低，所以未来为在一个短的循环中产生更高的能量输出或更大的输出功率所需要的的致密

38、化处理会导致自我加热的增加。在典型的最大户外温度（例如,30-35C在阳光充足的条件下）使用相对较低的最大安全操作温度的电池技术可能不允许由足够的热设计空间来提供充分的冷却。这是一个未来电池和超级电容阵列技术的发展领域。第二个未来的潜在发展和评估地面车辆和牵引应用中使用VDF的冷却系统的的领域是确定等温或近似等温液体冷板表面对IGBT模块的可靠性影响。使用一个等温表面设备冷却可能会它的寿命和可靠性，因为模块的热循环和内部焊接连接降低了。这是一个需要测试和评估的领域。如果设备制造商认为减少包装材料的数量，如IGBT模块的基底和相应热界面和热电阻的减少，是有意义的，那么第三个使用VDF冷却电路或任

39、何电介质冷却剂的机会是将液体冷却直接集成到电力半导体模块的潜力。结论对电力电子系统而言，开发和使用的泵可蒸发的电介质冷却系统做了评估。对基于1200V,450A设备的IGBT的电气驱动系统进行了组装、测试和在子系统模块中使用空气、水和可蒸发的液体介质的描述，目的是展示VDF冷却系统概念，并确定热性能的相对改进。固定电驱动器（非汽车）的测试系统显示了极大减少体积和重量的机会。热性能测试结果显示了IGBT模块的总功耗的显著增加。与其他被测试的热管理技术相比，VDF冷却系统概念带来的体积减少达到2.5:1。这个开发项目的概念验证系统是用泵吸收的r-134a制冷剂，氢氟烃，来冷却。与水冷系统相比，在相

40、同的工作柜以及散发同样的热负荷，使用这类可蒸发的电介质在饱和允许使用更少量的流体（1/6的质量流），在低流量条件下工作的更小的泵，和更小的油管直径。也可以使用和发展其他可蒸发的电介质液体。报告也展示了对空气、水和VDF冷却硬件的比较数据。与被测试的次优的水冷冷板相比，在内部有鳍状结构盘绕的铜冷盘，使用可蒸发的介电流体显示在IGBT模块的基部可额外增加96%的散热能力。与鳍状铝制冷盘使用风冷的热解决方案相比，改进大于125%。使用VDF冷却的系统设计允许考虑225A的IGBT模块,而不是450A的模块，同时系统硅的总成本也降低了。VDF冷却系统的潜在应用包括：可以使用一个单独的冷却液电路；重量和

41、尺寸是重要的或必须减少；功率半导体元件系统周期性负荷高；逆变电源和储能系统，这里需要功率致密化并且内部自加热必须最小化;冷却液电路中的多个负载将受益于热堆积的减少；使用快速拆卸冷却剂连接器和介电流体在靠接近高压时有优势。参考文献1A.A.Gallegos,S.S.Martinez,J.L.RamirezReyes,“EvaluationofWaterCorrosivityUsingaCorrosionRateModelforaCoolingWaterSystem,”JournalofNewMaterialsforElectrochemicalSystems,Vol.8,No.2(April20

42、05)pp.133-142.2J.Wong,G.Morris,“CoolantQualityforMagneticResonanceImagingSystems,”11thIEEEInterSocietyConferenceonThermalandThermomechanicalPhenomenainElectronicSystems(I-Therm),LakeBuenaVistaFLUSA,May28-31,20083P.E.Tuma,“FluoroketoneC2F5C(O)FC(CF3)2asaHeatTransferFluidforPassiveandPumpedTwo-PhaseAp

43、plications,”ProceedingsofIEEESemi-Therm24Conference,SanJoseCAUSA,March17-19,2008.4N.Akalu,R.Chu,R.Simons,IBMCorporation,U.S.Patent3,741,292,LiquidEncapsulatedAir-Cooledmodule.FiledJune1971,andissuedJune1973.SeealsoU.S.Patent3,993,123,ThermalConductionModule.U.SPatentOffice,WashingtonDCUSA.C.Barnes,P

44、.E.Tuma,“ImmersionCoolingofPowerElectronicsinSegregatedHydrofluoroetherLiquids,”Proceedingsofthe2008ASMESummerHeatTransferConference,JacksonvilleFLUSA,August10-14,2008.R.Hannemann,S.Mackey,“DesignandPerformanceofMeso-ScaleEvaporativeColdPlates,”BinghamtonUniversity/GEGlobalResearchElectronicsPackagingSymposium2007,NiskayunaNYUSA,August1,2007.R.Hannemann,H.Chu,“AnalysisofAlternativeDataCenterCoolingApproaches,”ASMEInterPack