Folleto
Guía de selección de módulos de potencia Flex
La magnitud del procesamiento de datos a nivel mundial es asombrosa; se estima que actualmente consume alrededor de 11 TP34 T de la producción mundial de energía. [1]. Esto se ve impulsado por el creciente uso de internet, el IoT y, en particular, la minería de bitcoin, que consume casi 150 teravatios-hora al año, más que Suecia.
Toda esa potencia se disipa en los racks de servidores y en los convertidores CA/CC y CC/CC que proporcionan la alimentación, y debe eliminarse. No solo ha aumentado el consumo, sino también la densidad de potencia; la presión por ocupar menos espacio es constante para mejorar la productividad, lo que dificulta aún más la extracción de calor. La mejor solución actual es la refrigeración por inmersión: sumergir los componentes electrónicos en un líquido que transporta el calor a un intercambiador de calor. Esta técnica se utiliza desde hace muchos años en aplicaciones exigentes como la aeroespacial, pero ahora está ganando popularidad en aplicaciones que utilizan componentes de grado comercial e industrial, como en centros de datos, baterías y sistemas de propulsión de vehículos eléctricos y en el ámbito médico. Sin embargo, existe una preocupación natural sobre la compatibilidad de los fluidos disponibles con los materiales utilizados en productos de producción en masa, como los convertidores CC/CC.
Conceptos básicos de la refrigeración por inmersión
La refrigeración por inmersión suele seguir uno de dos enfoques: monofásico, donde el líquido circula mediante una bomba alrededor de los componentes electrónicos y a través de un intercambiador de calor para extraer la energía térmica; o bifásico, donde el calor generado por los componentes electrónicos provoca que el fluido hierva y enfríe el hardware mediante el calor latente de evaporación, así como por conducción y convección. El vapor producido se condensa en un intercambiador de calor y regresa al depósito de líquido. La elección del líquido utilizado es fundamental, ya que requiere propiedades específicas.
- Buena conductividad térmica para disipar el calor.
- Alta rigidez dieléctrica para soportar tensiones de circuito.
- Alta resistividad para minimizar cualquier corriente de fuga.
- Rango de temperatura de funcionamiento útil
- Bajo impacto ambiental
- Facilidad de uso
- Constante dieléctrica baja para evitar un aumento excesivo de la capacitancia.
Este último parámetro es importante porque cualquier líquido tendrá una constante dieléctrica mayor que el aire, lo que aumenta directa y proporcionalmente las capacitancias parásitas, incrementando así las pérdidas eléctricas e incluso provocando un funcionamiento inestable de los componentes electrónicos. Por ejemplo, la constante dieléctrica del aire es cercana a 1,0 y la del agua pura ronda los 80. El agua es una buena opción en otras circunstancias, pero si transforma una capacitancia parásita insignificante de 2 pF en 160 pF, es probable que tenga efectos adversos en circuitos de alta velocidad. El punto de congelación relativamente alto del agua también representa un problema potencial. Por lo tanto, su uso se limita a intercambiadores de calor donde el fluido no entra en contacto directo con los componentes electrónicos.
Opciones fluidas
Se han desarrollado fluidos adecuados que poseen características más ideales, y entre los tipos comunes disponibles, se dividen en dos categorías, basadas en la química del hidrofluoroéter (HFE), comercializadas bajo la marca Novec.TM por 3MTM y sobre la química de los perfluorocarbonos (PFC), comercializada bajo la marca Fluorinert.TM por 3MTM. A continuación se muestra un resumen de algunas de las propiedades principales de dos versiones populares de estos líquidos.
La elección entre los dos líquidos mostrados depende del método de enfriamiento deseado; el punto de ebullición más alto de NovecTM El 7100 permite la refrigeración por inmersión monofásica a temperaturas más altas con un bajo GWP, pero las aplicaciones donde la constante dieléctrica, la resistividad o la rigidez dieléctrica son críticas podrían requerir el uso de Fluorinert.TM FC72, pero tomando precauciones para evitar posibles emisiones de vapor debido a su alto valor de GWP. Ambos materiales se promocionan como en gran medida inertes, pero el fabricante recomienda realizar pruebas de compatibilidad, en particular con Novec.TM, que tiene una característica de solvencia ligeramente superior.
Pruebas de compatibilidad prácticas
Flex Power Modules se comprometió a evaluar los dos líquidos descritos con el asesoramiento y la orientación del proveedor de líquidos 3M.TM, con dos productos de módulos de potencia Flex, el BMR490 y en BMR491. Ambos son convertidores CC/CC de cuarto de ladrillo refrigerados por placa base; el BMR490 tiene una potencia nominal de 1300 W con una entrada de 48 V y una salida de 12 V y el BMR491 Es similar, pero puede entregar hasta 2450 W de potencia máxima. Se utilizó el método de prueba ASTM G120-15, que define la "Práctica estándar para la determinación de la contaminación residual soluble".
Los convertidores CC/CC se sumergieron en matraces planos con agitador magnético a 75 °C para que ambos líquidos hirvieran continuamente. La norma establece una duración de prueba inferior a un día, pero los módulos de potencia Flex permitieron que la prueba se prolongara durante 49 días. Durante la prueba, la temperatura se elevó a 100 °C durante varias horas para intensificar el efecto de ebullición y aumentar la tensión.
Tras las pruebas, se verificó el funcionamiento de los módulos, se inspeccionaron y no se observaron daños visuales significativos. El rendimiento del adhesivo a base de silicona utilizado para fijar las partes magnéticas del transformador y del inductor de salida al módulo en la placa de circuito impreso fue de particular interés, por lo que se realizaron pruebas de presión mecánica para determinar cuándo fallaban las uniones. Los resultados mostraron 402 newtons para el transformador y 144 newtons para el inductor, muy por encima del mínimo aceptable, por lo que se concluyó que el adhesivo no se había visto afectado de ninguna manera.
Tras una inspección visual minuciosa de las uniones adhesivas, no se observó ninguna reacción química entre el adhesivo y el fluido, y se constató una buena adhesión entre el adhesivo, la ferrita y la placa de circuito impreso (véase la figura 1).
Figura 1: Uniones adhesivas del módulo CC/CC después de las pruebas de estrés por enfriamiento por inmersión.
Los módulos de potencia Flex, módulos CC/CC, han sido probados y están aprobados para su uso en aplicaciones de refrigeración por inmersión.
Las pruebas realizadas por Flex Power Modules utilizando los líquidos elegidos demostraron claramente que no existen problemas de compatibilidad entre los materiales del módulo y los líquidos, incluso durante períodos prolongados a altos niveles de estrés. Por lo tanto, Flex Power Modules puede afirmar con confianza que sus BMR490 y en BMR491 Los módulos se pueden utilizar con Novec.TM 7100 y FluorinertTM Líquidos FC72 en aplicaciones de refrigeración por inmersión. Se espera que, en las pruebas realizadas, los productos similares de los módulos de potencia Flex y líquidos similares también sean compatibles.
Nota
Desde que se escribió esta publicación, 3M ha anunciado Se ha anunciado que se dejarán de comercializar los refrigerantes Novec y Fluorinert a finales de 2025 debido a la presencia de sustancias químicas persistentes, como las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS). Actualmente, Flex Power Modules está investigando líquidos refrigerantes alternativos que no contengan estas sustancias.
Referencias
[1] https://energyinnovation.org/2020/03/17/how-much-energy-do-data-centers-really-use/
