在当今的电子领域，高性能模块和结构件至关重要。电子学及电力电子领域功率密度的持续攀升，使得实施高效冷却方法成为绝对必要。无论采用何种方法，其首要目标都是确保功能性结构件在制造商规定的温度范围内运行。

为何需要对结构件进行冷却?

当今的功率半导体，如 FET、mosfet、IGBT、Triac 或 SSR，集成度越来越高，这使得冷却这些结构件成为一个棘手的问题。如今的电力电子技术涵盖了与电能的方向控制、变换或操作相关的所有方面。电力电子应用的功率范围，从几毫安的低压水平，一直到千安培和千伏级别。在电流和电压的变换过程中，大多数用户最关心的是功能组件的效率等级。

输入到半导体中的能量并非百分之百完全转换，这意味着产生的损耗将以废热的形式辐射出去。正如物理学中众所周知的，温度应力与电子元器件的使用寿命之间存在直接关联。超过制造商数据表中规定的最高工作温度将导致运行故障，而超出常规的温度参数甚至可能导致半导体损坏。

正如我们刚刚描述的，功率结构件的正确冷却对于内置组件的功能寿命，乃至整个系统的可靠性都至关重要。Fischer Elektronik 公司在元器件冷却领域拥有专业知识，并提供一系列高效、灵活的产品解决方案。

高效能高性能冷却单元

从客户角度来看，基于自然对流原理的被动冷却方法，是考虑到各种边界条件后，最常被要求用于电力电子冷却的方式。经典的标准化散热片，由于其几何形状和组装方式，在高功率损耗情况下往往达到其冷却能力的极限。高性能冷却元件(图1)专门设计用于在自然对流条件下耗散更大的功率损耗，它们代表了大多数最高容量散热器配置。

图1

由于制造复杂和难度较大，此类散热器采用两部分组合结构。散热器基座的挤压工艺制造包含特定的压入几何结构，该结构可根据客户应用，选择性地压入各种类型的翅片管中。此外，厚实的散热器基座充当半导体的安装表面，并凭借 15 至 20 毫米的材料厚度，实现了更好的整个散热器内部的热量分布。为了改善热量从翅片管排放到周围空气的传热热阻，翅片管的顶面采用了沟槽化设计，与普通扁平管相比，效率提高了百分之十。

如果使用安装螺纹将半导体安装或固定到散热器基座上，则通过反向扭转散热器型材或横向扭转可能会损害热接触。作为包络线，半导体安装平面的平整度与散热器基座的偏差最大允许为 3.6 毫米(凸/凹)。

因此，不难预见，例如，许多高规格 IGBT 根据其制造商标准要求的平面度通常低于 0.02 毫米，这是采用压入技术且不进行机械修整所无法达到或实现的。通过创新的机床设备和合适的铣削工具，包括通过 CNC 工艺进行的技术铣削(图2)，可以获得在平整度和粗糙度方面具有显著优势的半导体安装表面。

图2

借助空气实现更强冷却

如果在应用中，高性能冷却元件在几何尺寸或相关重量方面受到限制，或者自然对流的效率确实不足以消除废热，那么就需要通过所谓的冷却机组来显著提升散热能力。冷却机组基于强制对流原理运行，拥有内置的封闭式热交换结构，该结构与常用的风扇电机及其在风速和风量方面的性能数据完美兼容。不同类型的冷却机组为电力电子提供了成熟的热管理技术，并且在使用常规风扇电机时非常高效。

带有上游铝处理表面的风扇电机产生强劲的气流，以有针对性的形式吹过内置的热交换结构。此处讨论的热交换结构，作为大型冷却机组的一个特征，由带沟槽的翅片管(图3)组成，这提供了更大的吸热表面积。此外，中空翅片的沟槽化设计增加了其功能性，与光滑翅片相比，能够在翅片表面结构上产生更湍流的气流，从而实现更高效的热量从翅片传递给流过的气流。

图3

"冷却机组"产品组包括特殊系统，如分段式、微型、中空翅片式或高性能冷却元件，配备轴流式、径流式或斜流式风扇电机。然而，冷却机组模块化结构的差异及其技术实现方式，会受到不断变化的工作条件、电子元器件以及需要散发的热量等因素的影响，以进行优化。单侧或双侧的厚基板确保了风扇单元内部良好的热量扩散，同时也用作待冷却电子元器件的半导体安装区域。

总体而言，不同类型的冷却机组的特点是具有精确铣削平整的半导体安装表面、流线优化的中空翅片几何形状、用于限制流动损失的薄片结构，以及能够对单个型材段进行热隔离和电隔离的能力。

水与电的协同工作

对于特别高性能的电子元器件，为前述的高性能冷却元件提供大量的热交换表面积，由于有限的热扩散效应、可用的安装空间、相对较高的重量以及噪音较大的风扇电机(尤其是在使用径流式风扇时)，其效果可能是有条件的。

液体冷却散热器(图4)，作为针对上述情况的一种功能性替代冷却方案，在许多应用中值得考虑。然而，这种冷却方式的普及度仍然有限，并且在许多应用中受到怀疑，尽管得益于高制造质量，电子元件和水的兼容性问题实际上已无需担忧。特殊的密封方式、多种耦合系统类型以及经过验证的软管系统安全性，都是当今技术可靠性的标志。

图4

使用水作为冷却介质的液体冷却器，在物理和热学方面都表现出色。假设水的比热容为 4.182 kJ/kg·K，大约是空气的 4 倍，那么与其他冷却概念相比，液体冷却具有显著优势。另一个优势在于，待冷却元件可以实现非常紧凑的结构设计，因为从结构角度来看，液体冷却器不需要大的热扩散表面，冷却直接在元器件上进行。

根据安装规范的不同，液体冷却单元有 I 型或 U 型流道可供选择，完全采用铝合金材料制成，包括软管接头，并且内部具有三维热交换结构。这种错位对置的薄片结构是连接到基板和结构安装板的导热表面，用于将热量从待冷却的元器件高效地传递到流动的液体中。

这反过来又在液体冷却器中产生均匀的(水平)流动，并且因热交换结构而产生的流阻损失极小。用于安装功率半导体和模块的厚安装板经过精确铣削以确保平整度，允许不受限制地自由布置结构件。为了避免已知的点蚀腐蚀及其导致的材料分解，该冷却器采用铝合金材料，并建议使用腐蚀抑制剂。在标准操作中，我们推荐使用比例为 50/50 的水/乙二醇混合物。