Système de refroidissement par caloduc en céramique pour composants magnétiques haute puissance
La structure et le principe de fonctionnement des caloducs en céramique sont similaires à ceux des caloducs métalliques (tels que les caloducs à eau en cuivre). Cependant, les tuyaux des caloducs en céramique sont frittés à partir de matériaux céramiques non poreux à haute conductivité thermique, et le noyau absorbant les liquides est cuit à partir de céramiques poreuses, qui sont remplies de fluide de travail à l'intérieur. Lorsque la chaleur est appliquée à une extrémité du pipeline (évaporateur), le fluide à l'intérieur du pipeline s'évapore, puis la vapeur s'écoule vers l'autre extrémité du pipeline (condenseur), qui est généralement en contact avec le radiateur ou le fluide de refroidissement. . Lorsque la vapeur libère de la chaleur vers l'extrémité la plus froide, elle se condense en un liquide et retourne à la section évaporateur par capillarité dans les matériaux céramiques poreux. Répétez ce cycle pour transférer efficacement la chaleur de l’extrémité chaude du pipeline vers l’extrémité froide.
Le premier caloduc en céramique remonte à 1975. Les premiers caloducs en céramique étaient fabriqués en carbure de silicium (SiC) et utilisaient du sodium comme fluide de travail. Le dépôt chimique en phase vapeur de la couche de tungstène (W) fixée à la surface intérieure du tube peut empêcher l'interaction entre le sodium et les matériaux de paroi en céramique. Les fonctions de ces tuyaux ont été vérifiées expérimentalement à des températures pouvant atteindre 1 100 degrés Celsius et sont utilisées pour des applications à haute température, mais leur fabrication est coûteuse.
Les transformateurs haute fréquence utilisés dans les stations de recharge, les boîtiers de recharge et d'autres applications sont principalement composés de noyaux magnétiques, d'enroulements et de matériaux isolants pour les enroulements fixes. Habituellement, les noyaux magnétiques sont constitués de matériaux magnétiques tels que la ferrite pour répondre aux indicateurs de performance tels que la réponse en fréquence et la perte du noyau magnétique. Les transformateurs haute fréquence génèrent une grande quantité de chaleur en raison de la chaleur Joule par résistance et des pertes par courants de Foucault, et leur recherche d'un volume plus petit entrave une ventilation et une dissipation thermique efficaces. Par conséquent, il est nécessaire de concevoir un système de dissipation thermique efficace pour le corps du transformateur et le circuit imprimé afin d'éviter la surchauffe du dispositif et d'assurer un fonctionnement fiable. Ceci peut être réalisé grâce à diverses méthodes, telles que le refroidissement par air forcé, le refroidissement par liquide ou des systèmes de refroidissement mixtes.
Lors de la sélection du système de refroidissement pour les stations de recharge de véhicules électriques (boîtiers de recharge), une méthode de refroidissement mixte par caloduc combinée à des plaques de refroidissement liquide peut être utilisée pour aider les dispositifs d'alimentation tels que les MOSFET et les dispositifs magnétiques (tels que les inducteurs et les transformateurs) à se dissiper. chauffer rapidement. La première solution consiste à forcer la circulation de l'air à l'intérieur du boîtier du chargeur, tout en transférant la chaleur à la plaque de refroidissement liquide via un radiateur à ailettes en aluminium et un ensemble caloduc. La deuxième solution consiste à encapsuler les composants magnétiques et les caloducs avec une résine époxy thermoconductrice et à transférer la chaleur à la plaque de refroidissement liquide à travers les composants du caloduc.
La recherche a montré que le caloduc et les composants magnétiques du deuxième schéma peuvent échanger pleinement de la chaleur, transférant la chaleur à la plaque refroidie par liquide avec une très faible résistance thermique. Cependant, la première solution a des performances de refroidissement inférieures à celles de la solution d'étanchéité des caloducs en raison de l'incapacité du radiateur à ailettes en aluminium d'entrer entièrement en contact avec les composants magnétiques.
Cependant, il existe une quantité considérable de pertes par courants de Foucault dans les dissipateurs thermiques métalliques dans les systèmes de refroidissement actuels, tels que les dissipateurs thermiques à ailettes en aluminium et les caloducs en cuivre. Ces pertes par courants de Foucault provoquées par les composants magnétiques ont des effets néfastes sur les performances et la fiabilité des chargeurs. La céramique est un matériau d'isolation électrique qui empêche la génération de courant et ne génère donc pas de courants de Foucault, éliminant ainsi efficacement les pertes par courants de Foucault. Ils sont particulièrement adaptés au refroidissement des composants magnétiques haute fréquence, tels que les inducteurs et transformateurs haute fréquence.
Les caloducs en céramique offrent une solution de refroidissement résistante aux températures élevées, durable et à faibles pertes pour les appareils électroniques magnétiques haute fréquence. Cependant, elle est également confrontée à des problèmes de coûts élevés en raison de processus de fabrication complexes et de chaînes d’approvisionnement immatures. À l’heure actuelle, la demande de recharge rapide en courant continu augmente rapidement et le défi de dissipation thermique des composants magnétiques haute puissance et haute fréquence dans les applications de recharge de véhicules électriques s’intensifie. Cela mettra inévitablement en évidence les pertes magnétiques insuffisantes des radiateurs métalliques, et l'avantage des caloducs en céramique dans l'élimination des pertes par courants de Foucault sera amplifié. Par conséquent, la technologie de dissipation thermique passive biphasée d’isolation représentée par les caloducs en céramique devrait ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de la gestion thermique des équipements électroniques de puissance élevée dans les véhicules électriques.
