Abstract Thermal management of high power density insulated gate bipolar transistors (IGBTs) using a low pumping power is crucial for the development of high-performance electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs). In the present work, the liquid cooling module inspired by a human respiratory system was developed to provide enhanced thermohydraulic performance. The suggested cooling module consists of a multiscale flow manifold connected to a metal foam layer bonded to the bottom substrate of IGBT module. The unique flow path uniformly distributes the coolant to multiple IGBTs with minimizing the required pumping power, while maximizing the heat exchange area. The porosity of the metal foam was determined considering the conflict between the conductive and convective heat flux. The developed cooling module was applied to the single IGBT module, including 6 IGBT/diode pairs generating 1.55 kW of heat. The proposed cooling module provided a low (0.2 K/W) thermal resistance using only ~2 kPa of the pressure drop that is approximately 10 and 100 times lower than that of previously reported turbulator and microchannel systems, respectively. Even when the number of IGBT/diode pairs is increased from 6 to 24 (single to quadruple IGBT modules), only ~8 kPa of the pressure drop was required, which shows the high scalability of the proposed solution. This work will help develop a compact, low pumping power cooling solution for high-performance EV/HEV applications.

中文翻译：

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适用于 EV/HEV 应用的高功率 IGBT 模块的仿生低压降液体冷却系统

摘要 使用低泵浦功率的高功率密度绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的热管理对于高性能电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 的发展至关重要。在目前的工作中，开发了受人类呼吸系统启发的液体冷却模块，以提供增强的热液压性能。建议的冷却模块由连接到金属泡沫层的多尺度流动歧管组成，该金属泡沫层结合到 IGBT 模块的底部基板。独特的流动路径将冷却剂均匀地分配到多个 IGBT，同时最大限度地减少所需的泵送功率，同时最大限度地增加热交换面积。考虑到传导和对流热通量之间的冲突，确定金属泡沫的孔隙率。开发的冷却模块应用于单个 IGBT 模块，包括 6 个 IGBT/二极管对，产生 1.55 kW 的热量。所提出的冷却模块仅使用约 2 kPa 的压降即可提供低 (0.2 K/W) 的热阻，这比之前报道的湍流器和微通道系统分别低约 10 倍和 100 倍。即使 IGBT/二极管对的数量从 6 对增加到 24（单对四 IGBT 模块），也只需要约 8 kPa 的压降，这表明所提出的解决方案具有很高的可扩展性。这项工作将有助于为高性能 EV/HEV 应用开发紧凑、低泵送功率的冷却解决方案。2 K/W) 热阻仅使用约 2 kPa 的压降，比之前报道的湍流器和微通道系统分别低约 10 倍和 100 倍。即使 IGBT/二极管对的数量从 6 对增加到 24（单对四 IGBT 模块），也只需要约 8 kPa 的压降，这表明所提出的解决方案具有很高的可扩展性。这项工作将有助于为高性能 EV/HEV 应用开发紧凑、低泵送功率的冷却解决方案。2 K/W) 热阻仅使用约 2 kPa 的压降，比之前报道的湍流器和微通道系统分别低约 10 倍和 100 倍。即使 IGBT/二极管对的数量从 6 对增加到 24（单对四 IGBT 模块），也只需要约 8 kPa 的压降，这表明所提出的解决方案具有很高的可扩展性。这项工作将有助于为高性能 EV/HEV 应用开发紧凑、低泵送功率的冷却解决方案。这显示了所提出的解决方案的高可扩展性。这项工作将有助于为高性能 EV/HEV 应用开发紧凑、低泵送功率的冷却解决方案。这显示了所提出的解决方案的高可扩展性。这项工作将有助于为高性能 EV/HEV 应用开发紧凑、低泵送功率的冷却解决方案。