Los convertidores de turbinas eólicas actuales están siendo diseñados para una vida de 15-20 años correspondiente a 150-180.000 horas de servicio, que es 10-20 veces el tiempo de vida necesario para las típicas aplicaciones de automoción y 5-10 veces la exigencia en aplicaciones industriales. Cuando se diseña para la fiabilidad, es esencial tener un conocimiento cabal de los mecanismos de fallo relevantes y los perfiles de misión para la aplicación específica.
Debido a que la alta fiabilidad de la electrónica de potencia está directamente relacionada con la temperatura, es evidente que una refrigeración eficaz es una necesidad para un óptimo diseño de módulo de potencia que será capaz de soportar las cargas que se produzcan durante los 15-20 años de vida útil de la turbina eólica.

En este documento se muestra que la tecnología de refrigeración ShowerPower®, aplicada sobre los módulos de potencia de placa base estándar, es muy adecuada para su uso en aplicaciones de energía eólica, obteniendo propiedades térmicas extraordinarias, reduciendo el tamaño y el peso, así como el coste de los convertidores.

1. Introducción
La refrigeración líquida directa en módulos de potencia para convertidores de turbinas eólicas ofrece una solución más fiable, más compacta y más rentable que las tecnologías tradicionales de refrigeración indirecta por líquido, por ejemplo, los radiadores (“coldplates”) utilizados actualmente en la industria eólica. Tradicionalmente, los convertidores de energía eólica han estado utilizando dos tipos de módulos de potencia en combinación con coldplates indirectamente refrigerados. Los primeros son módulos sin placa de base, donde los sustratos DCB que llevan los chips IGBT y diodos se montan directamente a una coldplate sin una típica placa base de cobre. Este diseño elimina la placa de base, que es un coste y una capa adicional de impedancia térmica en la pila térmica. La segunda opción utiliza módulos estándar con placas de base planas, y aunque añaden una impedancia térmica adicional, la placa de base ayuda a reducir la impedancia térmica global y el coste del sistema aprovechando los efectos de disipación del cobre. Este diseño asegura entregas de doble fuente del módulo de potencia estándar (un requisito indispensable en la industria eólica) junto con los beneficios de ventas por volumen en el coste del módulo.

Teniendo en cuenta que los radiadores de aleta no son bienvenidos en la industria de la energía eólica debido a su diseño personalizado y los requisitos de doble fuente, hay básicamente otras tres opciones:

•    Refrigeración líquida indirecta utilizando coldplates con módulos de potencia sin placa de base;
•    Refrigeración líquida indirecta utilizando coldplates con módulos de potencia estándar;
•    Refrigeración líquida directa con módulos de potencia estándar.

Las pilas térmicas se analizaron y compararon. Las tres soluciones se someterán a la carga de un perfil de misión típica (que describe el perfil de carga para toda la vida de servicio) derivado de una aplicación de energía eólica. Las consecuencias sobre la fiabilidad de las tres soluciones se discutirán también.
Como un refrigerante líquido directo tiene un rendimiento superior en comparación con un refrigerante cerrado, el cual requiere una capa de material de interfaz térmica (TIM), merece la pena considerarlo como un medio para superar los retos de riesgos de fuga y otras cuestiones relacionadas con diseños de refrigerantes líquidos abiertos.

2. Mecanismos de fallo de los módulos de potencia bajo carga
La razón para hacer frente a refrigeración de los módulos de potencia proviene del hecho de que los módulos de potencia fallan inevitablemente con el tiempo, es sólo una cuestión de cuándo. Los mecanismos de fallo dependen de las cargas que los módulos soporte en el tiempo, así como la temperatura: el frío es mejor, por lo que una refrigeración eficiente es una piedra angular de los diseños rentables de los convertidores de alta fiabilidad.

Los módulos de potencia consisten en conjuntos de materiales con diferentes propiedades de los materiales, por ejemplo el coeficiente de expansión térmica (CTE), módulo de elasticidad, resistencia, etc.  El término “pila térmica” se utiliza para describir esta combinación termo-mecánica de los materiales que definen el módulo de potencia. Las diferencias en las propiedades del material a través de la pila causará movimientos termo-mecánicos según varíe la temperatura, que inducen tensiones y esfuerzos, que una vez más conducen a fallos por fatiga; los modos de fallo dominantes son la fatiga del cable de unión y la degradación de la unión de soldadura.

Aparte de los efectos “dry-out” y “pump-out” relacionados con la capa TIM, la fatiga del cable de uníon es el modo de fallo dominante en los módulos de potencia para los convertidores de aerogeneradores. Debido al desajuste CTE entre el chip de silicio y el cable de unión de aluminio, que junto con los cambios cíclicos de temperatura, (apagado y encendido) conducen al fallo: el cable de unión fallará conduciendo al fallo catastrófico. Existen varios modelos para la evaluación de la vida del cable de unión como una función de las cargas a través del tiempo (el perfil de misión) y las condiciones térmicas, [1, 2].

3. La aplicación de viento
Los principales sistemas de convertidores actuales pueden, desde el punto de vista del cilo de alimentación, reducirse a tres topologías básicas: generador de inducción doblemente alimentado (DFIG), Full-Converter con engranaje (FC), y sin engranaje conocido como Direct Drive (DD). Las distintas topologías se caracterizan por las frecuencias dominantes de funcionamiento. El perfil de potencia de la Red es diferente, ya que está funcionando a la frecuencia nominal. Además, las distintas topologías, dependiendo de las estrategias de control y el diseño del generador, se traducirán en un intercambio diferente entre los diodos y los IGBTs y con ello afectarán a los efectos de fatiga resultantes.

Los perfiles de misión de los aerogeneradores DFIG y FC difieren en la distribución de frecuencia de los ciclos térmicos. Considerando que DFIG conduce a una pérdida total de energía más baja, los lentos ciclos de temperatura que dominan en el perfil de la misión conducirán a mayores daños de los módulos de potencia. La refrigeración líquida directa por un lado ayudará a reducir la temperatura media en los módulos y por otro lado reducirá el aumento de temperatura, ambos necesarios para cumplir con las especificaciones típicas. Los módulos de potencia en aerogeneradores FC tienen que hacer frente a mayores pérdidas de potencia media. Por lo tanto, es necesario disminuir las temperaturas medias. Esto se puede lograr perfectamente mediante refrigeración líquida directa de los módulos de potencia utilizando la flexibilidad de los diseños de refrigeración ShowerPower®.

4. ShowerPower®
ShowerPower® es un concepto para refrigeración líquida directa desarrollado por Danfoss. Las características principales son:

•    Capacidad para enfriar homogéneamente grandes módulos de potencia de placas planas de base y sistemas de módulos, lo que elimina los gradientes de temperatura mejorando la vida útil y facilitando la colocación en paralelo de muchos chips de potencia.
•    No existen efectos “Pump-Out” o “Dry-Out” relacionados con TIM
•    La diferencia de caída de presión muy baja
•    Permite el diseño 3D de diseños compactos, ligeros y de alto grado
•    Bajo coste: conversión metal-plástico en simples piezas de plástico.

El elemento clave del concepto es el “ShowerPower® turbolator” guía el líquido refrigerante a lo largo de la placa de base del módulo en celdas de refrigeración que se suministran con refrigerante en paralelo de tal modo que asegura temperaturas uniformes en el módulo.
El concepto permite refrigeración adaptada si hay puntos calientes que necesitan más atención, esto se hace simplemente diseñando los canales de refrigeración de forma individual.

El ShowerPower® turbolator se utiliza junto con una junta de colector y para distribuir el líquido de refrigeración bajo una placa de base IGBT estándar.
Para más información por favor refiérase a [3-5].

5. Enfriamiento indirecto Vs directo
El enfriamiento líquido directo elimina la capa de TIM que tradicionalmente se necesita entre la parte posterior del módulo de potencia y el coldplate. Debido a que la capa TIM es el 30% -50% de la Rth, unión refrigerante, la supresión de la capa TIM da como resultado un mejor ambiente térmico para el módulo de potencia. Dado que los mecanismos de fallo dominantes son la temperatura impulsada, esto conducirá a una mayor fiabilidad.

La impedancia térmica transitoria ha sido comparada para las tres pilas térmicas:

•    Módulo sin placa de base en coldplate
•    Módulo con placa de base en coldplate
•    Módulo con placa de base en ShowerPower®

La gráfica muestra que las tres soluciones de comportan de manera muy diferente: Debido a la constante de tiempo térmica de la placa de base, Zth del módulo sin placa de base comienza a aumentar a 60-70ms en comparación con los módulos con placa de base; la impedancia en 1s es el doble que el de los módulos con placa de base que indican que un ciclo de potencia de 1Hz resultaría en un aumento de temperatura del dolbe para el módulo sin placa de base. El estado estacionario Rth para el módulo sin placa de base es también dos veces mayor que con la configuración ShowerPower®.
A ~ 1,5s la curva Zth para el módulo de con placa de base refrigerada (coldplate) comienza a alejarse de la curva Shower-Power® mostrando que el aumento de temperatura para frecuencias por debajo de ~ 0,6Hz será mayor para la solución coldplate que para la solución ShowerPower®.

6. ShowerPower® para la refrigeración líquida directa de un convertidor de aerogenerador
El fabricante de aerogeneradores conoce las cargas de energía durante la vida útil del aerogenerador. El conocimiento de la pila térmica incluyendo la eficiencia del refrigerador y la pérdida de potencia frente a los resultados de tiempo, conduce a las temperaturas del dispositivo dependientes del tiempo. Teniendo esto en cuenta, se puede hayar la fiabilidad del módulo de potencia. Si el tiempo de vida no coincide con el requisito, se necesitará un diseño térmico mejorado. Este proceso iterativo se repite hasta que se encuentra un diseño que cumple el requisito de vida útil con un margen razonable.

Los análisis térmicos se realizaron utilizando FloTherm®, un software CFD 3D que permite la modelización de no sólo la conducción a través de los elementos sólidos de la pila térmica, sino también los efectos del flujo de fluido a través de la coldplate o del módulo ShowerPower®.
Se realizaron dos análisis, comparando Rth para los tres principios de enfriamiento utilizando glycol/agua 50%/50%. Prime

ro se aplicó una constante de disipación de potencia a los chips IGBT de una sola pierna de un módulo P3 y se registró la máxima temperatura de chip IGBT.
Puede verse en la figura 6 que el módulo sin placa de base registró TJ de 138°C. El módulo estándar con placa de base y coldplate mejoró la solución sin placa de base con TJ de 120°C. Por último, el refrigerador ShowerPower® mejoró ambos registros con TJ de 97°C.

A continuación, un análisis de transitorios de las tecnologías de refrigeración se investigó (de nuevo utilizando glicol/agua 50%/50%) utilizando un perfil de aerogenerador estándar a frecuencias inferiores a 1 Hz.

En este ejemplo particular, las pérdidas de los diodos son ligeramente superiores (modo de generador) así las temperaturas de los diodos son también ligeramente superiores. Tanto las temperaturas IGBT como del diodo chip se registraron y los aumentos de temperatura y Tmean se enumeran a continuación.
Se puede observar que la solución sin placa de base tuvo peor rendimiento tanto en la temperatura media como en Tmean, y la oscilación de la temperatura, DT, con valores de 75 ºC y 43 ºC respectivamente para el diodo.

La placa de base estándar con solución coldplate mejoró a la solución sin placa de base con un Tmean de 70 ºC y DT de 24 ºC. Por último, la solución ShowerPower ® mejoró de nuevo las otras dos tecnologías con un Tmean de 60 ºC y un DT, de 23 ºC. Las  mismas tendencias se observan para el IGBT.

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Beneficios de la ShowerPower®
Aumento del poder de disipación
Basado en el análisis térmico de la figura. 6 la tabla inferior muestra cuanto se puede aumentar la potencia de  disipación de estado estacionario, mientras se mantiene la temperatura de unión misma de los semiconductores de potencia.

ShowerPower® permite duplicar la potencia de disipación en la solución coldplate sin placa de base.

Menor necesidad de silicio
Por otra parte ShowerPower ® permite reducir a la mitad la cantidad de silicio necesaria en comparación con la solución sin placa de base.

Vida útil

Como la vida útil depende estrechamente de la temperatura (D T y Tmean) Las Tablas 1 y 2 muestra claramente que una placa de base incrementará la vida útil drásticamente en comparación con el módulo sin placa de base, ya que D T, así como Tmean se reducen, y  ShowerPower® aumenta aún más la  vida útil debido a que Tmean disminuye. De nuevo, esto puede ser utilizado para ofrecer la misma duración que las soluciones sin placa de base y placa de base coldplate pero con mucho menos silicio lo que implica una significativa reducción de costes.

7. Pruebas en circuitos de refrigeración líquida directa
Un sistema de refrigeración líquida con 15-20 años “de servicio” debe ser cuidadosamente diseñada en relación con la estanqueidad de los líquidos, la estabilidad de la corrosión y el rendimiento constante. El sellado es una zona de las posibles zonas débiles, sin embargo los resultados de las pruebas de vida acelerada han confirmado la fiabilidad de la solución elegida. Otro resultado importante se obtiene de varias pruebas de rendimiento a largo plazo. Los resultados pertinentes se presentan con respecto a la estabilidad del refrigerante, el comportamiento a la corrosión de los materiales implicados, así como su influencia en el rendimiento enfriador. Rth de largo plazo y el rendimiento de sellado se estudia mediante un banco de pruebas especiales a largo plazo con una  condición límite definida de corrosión.

El entubado del banco de pruebas sólo está hecho de materiales de aluminio y materiales no metálicos. Así, todos los componentes no estándar, tales como calentadores, medidores de flujo, bombas y sensores están especialmente diseñados en aluminio o en plástico de alta temperatura. El objetivo era lograr un funcionamiento a largo plazo a una temperatura del refrigerante de 105°C, que es un punto de funcionamiento seguro para una mezcla de  50% de agua/glicol a 1,5bar de sobrepresión del sistema. El calor se produce mediante un  tubo calentador eléctrico tubo especialmente diseñado. Por razones de estabilidad térmica y de ahorro de energía , el banco de pruebas en conjunto se encapsula en una plataforma de prueba de metal aislada y el registro de datos se lleva a cabo desde el ambiente exterior más frío fuera de la plataforma.

El rendimiento Rth de los módulos de potencia se determina después de cada 1000 horas en un banco de pruebas diferente a 25°C. Para este propósito los módulos de potencia están alimentados eléctricamente y la potencia disipada es drenada por el líquido refrigerante. La temperatura de unión de los semiconductores se mide por termografía IR.

 El período de funcionamiento en caliente se interrumpe cada 5 días por 2 días a temperatura ambiente y sin circulación del refrigerante. Esto obliga al sellado (doble junta tórica) que se mueve dentro de la ranura impulsada por las diferencias de temperatura.

La investigación se inicia con módulos de potencia nuevos y sin uso que tienen superficies (AISiC y Ni-chapadao Cu) estándar (en blanco).
Durante los periodos de calor los módulos de potencia se calientan de forma pasiva. El refrigerante de agua/glyicol es una mezcla de agua desmineralizada y un glycol estándar con inhibidores de corrosión para aluminio y acero. El inhibidor es de tipo anódico que forma una capa de pasivación sobre superficies de aluminio que impide la oxidación del metal. Se requiere aplicar una pauta posológica cuidadosa, porque si los inhibidores anódicos se utilizan en una concentración demasiado baja, en realidad pueden agravar la corrosión por picadura, ya que forman una capa no uniforme con ánodos locales [6,7]
La adecuada mezcla agua/glycol se controla semanalmente por mediciones de índice de refracción. Las figuras 11 y 12 muestran los resultados de las mediciones Rthjw. El material AlSiC muestra un comportamiento Rth muy estable en el tiempo, con sólo pequeñas variaciones al inicio después de formar una capa delgada de protección contra la corrosión. El inhibidor de corrosión juega un papel importante dentro de la trayectoria térmica, así como para la estabilidad de la corrosión a largo plazo. Esto se muestra en el mismo experimento pero utilizando material Ni-chapadao Cu-base, figura 12.

El chapado de Ni se cubre con la capa de protección dentro de las primeras 100h-300h de funcionamiento.  Esta capa aumenta ligeramente la resistencia al flujo como puede verse en la caída de presión del refrigerante en la figura 13.

 Con el fin de crear un rendimiento constante de refrigeración, incluso en el período inicial de formación de capa de protección sobre las superficies del sistema,  se recomienda controlar la velocidad de la bomba a un caudal constante. Esta estrategia se traduce en una transferencia de calor constante del módulo de potencia al refrigerante.

Un segundo resultado exitoso de la observación a largo plazo es que no se vieron fugas en los DUTs después del ciclo de largo plazo.
El experimento se llevó a hasta 8000h a 105°C con el fin de permitir la extrapolación de los resultados de 20 años de funcionamiento a sólo 45°C de temperatura del refrigerante.

8. Conclusión
Se ha demostrado que el enfriamiento líquido directo utilizando ShowerPower® ofrece una serie de ventajas sobre tecnologías estándar de refrigeración líquida con coldplates: mayor fiabilidad, sin importar la aplicación (por ejemplo, DFIG ó FC), así como la reducción de peso, de tamaño y de coste de la pila de potencia total.
Además, pruebas de vita útil aceleradas han demostrado que los problemas de corrosión y estanqueidad del agua están controlados, por lo que son soluciones fiables para los necesarios 20 años de servicio requeridos por la industria eólica.

ShowerPower® será la mejor opción global para las generaciones venideras de convertidores refrigerados por líquido para la industria
eólica.

Autor: Por: Klaus Olesen (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.), Dr. Frank Osterwald, EE.UU., Prof. Dr. Ronald Eisele, Technical University, Kiel, Alemania.

9. Literatura
 [1]    M. Held et al. “Fast power cycling test for IGBT Modules in traction application”, PEDS Confer-ence Proceedings 1997, Singapore, pp. 425-430.
 [2]    M.-H. Poech al, “Investigations on the damage mechanisms of aluminium wire bonds used for high power applications”. Proc. EUPAC 1996, pp. 128-131.
 [3]    K. Olesen et al., ”ShowerPower® New Cooling Concept”, PCIM Conference Proceedings 2004, Nuremberg.
 [4]    F. Osterwald et al., “Innovative Kühltechnologie für Leistungsmodule”, Bauelemente der Leis-tungselektronik und ihre Anwendungen, 10.-11. Oktober 2006, Bad Nauheim.
 [5]    R. Bredtmann et al., “”Power under the hood” Increasing power density of inverters with a novel 3D-approach”, APE, March 25-26 2009, Paris.
 [6]    Dr. Dmitri Kopeliovich, “Anodic corrosion inhibitors” www.substech.com
 [7]    H.-D. Held, „Kühlwasser; Verfahren und Systeme der Aufbereitung, Behandlung und Kühlung von Süßwasser-Brackwasser-Meerwasser zur industriellen Nutzung“ 5. Auflage