IGBT功率器件散热器详解(2)

3．水冷式散热器
（1）水冷式散热器的型式
水冷式散热器的散热效率极高，其对流换热系数160 x 4.18 x10³J／h.m².K，等于空气自然冷却换热系数的150-300倍。以水冷式散热器代替风冷式散热器，可大大提高器件的容量。这种散热器一般适用于电流容量在500A以上的器件，少数也应用于200A器件。冷却形式的选择主要决定于装置容量而不是器件的容量。
由于水的绝缘性较差，而且会在高电压下出现电腐蚀和漏电现象，因此对高压装置来说，其冷却水必须用离子交换树脂来进行处理，此时必须使用复杂的循环水冷却系统。只有在低电压下，例如装置电压低于400V(DC)或380V(AC)时，才可以来用流水冷却，以简化冷却系统。实际上这个分界线也是随着装置的电流容量而有所变动的。当装置容量较大时，例如直流3000A以上，即使电压只有200V，仍应采用循环水冷却，当电流较小时，如直流200A以下，即使电压600V(DC)或660V(AC)，亦可使用水冷却。总之，水冷式散热器的型式选择取决于对电压高低、电流大小、经济性和维护方便的综合考虑。
(2)水质要求
对循环冷却水来说，应保证电阻率不小于10⁴~10⁵Ω*cm，根据装置电压而定。如，当直流电压为600~800V时，水的电阻率应不小于5*10⁴Ω*cm。
流水冷却系统的冷却水，在25℃以下测得的电阻率应不小于2500*10⁴Ω*cm，其杂质量应不超过下列数值：
    1)中性或略呈碱性反应，即pH值在7~9之间；
    2)氯化物含量不大于20 x10^-6，硝酸盐不大于10ppm，硫酸盐含量不大于100 x10^-6；
3)不溶物质含量不大于250 x10^-6。
必须指出，在采取措施，保证水质要求之后，一般散热器在通电过程中，仍然会出现电蚀现象，电压愈高，则电蚀愈严重；有时需要采取额外的防蚀措施。例如在中低压装置中，钢的电导率和导热率只等于铜的1/2~1/3，但由于耐电蚀性能良好，仍被采用。
(3)凝露问题及防止措施
当冷却水温度低于环境温度时，特别在相对湿度很高的夏季，往往出现凝露现象，使器件阴阳极之间的绝缘电阻大大下降而发生漏电、爬电和由此引起击穿事故。为此必须采取预防措施，使散热器温度不低于露点温度。例如在空载或轻载时，切断冷却水；采用加热措施，便装置内温度高于露点温度；或者采用提高水温等措施。
当散热器温度低于环境温度的某一数值，刚好出现凝露现象时的温度叫做露点温度。
它由下式计算： 式中  B—相对湿度；
    P_S—饱和蒸汽压，Pa，
    P—实际蒸汽压，Pa。
例如：已知环境温度t＝30℃，相对湿度B＝80％，从表7中可查得P_S＝31.32x133.322Pa，则实际蒸汽压P＝PS xB％＝25.05 x133.322Pa。
再从表7中找出对应于25.05 x133.322Pa时的温度接近26℃，此温度即为当时的露点温度，亦即所选取的散热器进水温度不低于26℃，则不会出现凝露。 4．沸腾式冷却散热器    ’
沸腾式冷却散热器具有极高的冷却效率，对流换热系数为160 x 4.18 x10³J／h.m².K，其等效导热率相当于同几何尺寸的实心铜导热率的380倍左右。沸腾式冷却散热效率也超过水冷式。沸腾冷却装置的体积比自冷式装置小得多。
沸腾式冷却是将冷却媒质放在密闭容器中，通过媒质的相变来进行冷却的技术，如图6所示。液体在密闭器皿中受热沸腾，蒸发后的气体，通过蒸汽管将发热体的热量带给冷逐面，在该处重新凝结成液体，由回流管流回密闭器皿中，如此周而复始，对发热体进行冷却。这样，使用很细的蒸发管可以传递极大的热功率。 沸腾式冷却早期使用的工作工质有水、乙醚、酒精等，但从绝缘性能、不燃性、工作温度、蒸汽压强等特性来考虑，适用于半导体器件冷却的工质以常用氟利昂R—113和FC—77为宜。
总的说来，沸腾式冷却的价格较贵，通常适用于要求有限的发热体面积散发出特大热功率以及要求重量轻的场合。例如在地铁机车和航天设备中。