DCM™-水冷系统-ShowerPower

 

​上一篇文章介绍了丹佛斯的汽车级功率模块平台产品DCM™。这篇文章主要聊一聊里面的散热结构，称之为ShowerPower 3D。

 

ShowerPower介绍

首先想说的是这种散热方式还是很有创新性的，据说其最初应用的出发点来自于，将普通的铜底板模块实现直接水冷以降低系统热阻的目的。其核心就是类似于下图的这样一个扰流板。他的主要特点就是分区散热，冷却液只在一个小的区域内流动，并带走热量。这样温差只出现在一个小的区域内，就避免了整个模块温差梯度过大的问题。同时通过对水流的精准控制，来实现对标准平板铜底板模块的直接水冷散热。

下面的动图更好的展示出了ShowerPower的原理，以及降低温度梯度的效果。

ShowerPower的实现方式是将模块直接安装在水槽上，中间放置上面介绍的扰流板。其结构如下图所示。这种散热方式还有一个好处就是可以把模块布置更加紧密，实现更加优化的结构设计。

 

通过增加扰流板来实现标准平底板模块水冷散热的方式是一个很好的思路，如果把这个设计思路和模块设计结合在一起，那就是把扰流板与散热铜底板结合在一起。就是下面图片中DCM™平台采用的，所谓的ShowerPower 3D的散热结构了。在铜底板中直接实现这种带有扰流效果的散热结构。这样可以大大增加冷却液和铜底板的接触面积，增加换热效率。另外扰流效果也可以提高冷却液的热交换，提高散热效率。根据其规格书提供的数据，采用三个99mm² IGBT芯片并联的情况下，热阻可以做到96K/kW(三个模块并联一起8L/min的流量)，可以说是非常优异的一个数值了。

这种散热结构的安装方式是安装在上下两侧带有进水和出水水道的水槽里。然后把三个模块并排放置，实现并行的散热结构，如下图所示。

下面是三个模块放在水冷板上的透视图，可以看到，三个模块下面都含有三个水道，总共九个水道是并联的关系。每个模块的进水温度都是相同的，这样就不会存在靠近出水口的模块温度过热高而成为瓶颈的问题。

 

另外这种并联水道的设计对于模块内部的芯片并联设计也带来了可靠性的提升。下图为该模块内部芯片的布局图，可以看出采用了三个IGBT和三个FWD并联的结构，与水道是垂直方向。这样所有的并联芯片下面的冷却液的温度是相同的，这样就有利于芯片结温的均匀分布，进而是有利于并联的芯片中电流均匀分布的。我们知道均流性越好，可靠性也就会越高；同时，温度分布越均匀，可靠性也是越好。这样就有利于模块工作到更高结温Tvj(op)同时保证可靠性，根据规格书中的信息，其产品可以工作到175℃结温，且没有时间限制。

当然，三个芯片放一起中间的肯定会比两边的温度越高。这是一个固有的物理特性。即使下面的冷却液温度一样，中间的芯片温度也会是最高的。然而这种独立水道的设计其实也给这个问题进一步优化提供了一定的空间。比如可以通过调整水道的宽度来调整水流分布，增加中间水道的宽度来来增加水流量，进而相对的提高这条水道的散热能力。这样中间位置的芯片的热阻可以相对降低并使三个芯片的温度趋于均衡，并提高模块的可靠性。

 

 

ShowerPower专利分析

这种非常有创新性的散热方式肯定是要申请专利的，而一般专利中会尽可能的涵盖所有的设计可能，同时介绍典型的实施例，以扩大专利的保护范围。关于专利的核心保护点，这里就直接引用权利要求书中的内容以及附图：

 

 

2.根据权利要求1所述的电子电力系统，其特征在于，该冷却结构包括至少一个壁结构，该至少一个壁结构用于加强该基板并沿着该冷却结构引导冷却剂

 

可以看出，该专利的核心保护点，就是这种散热水道的设计形式。值得注意的是，专利中提到这是一种一次成型的结构，相对于二次加工的直接水冷散热结构，其实也是增加了底板的厚度并增强其整体的刚度以及稳定性的。这也是对可靠性方面的一个增强。
该专利里还有一个有意思的实施例，如下图所示。这种水道结构是一种由中心到边沿的水流方向。而且实施例说明中指出一般电力电子设备中，靠中间的位置需要更优的散热能力，而这种结构则满足了这样的要求。

其种这种散热水道的思路，本身就是在主动的调整和优化冷却液来实现更优的散热效果。完全是可以根据DBC上芯片的布局损耗等来进行水道优化设计以实现最优的模块设计。

 

总结

这种独立水道的水冷设计方案还是非常有创新性的。在提升散热效率降低热阻的同时，也在系统可靠性上有着诸多的提升。这种可靠性上的考虑和优化虽然不一定直接反映在性能上，但是对于电动汽车推广过程中消费者对电动汽车的认可还是有着积极的意义的。