電力電子設(shè)備散熱方式解析
眾所周知，電力電子產(chǎn)品的可靠性與器件溫度有很大關(guān)系，本文通過對電力電子設(shè)備常見的各種散熱方式的論述，提出了為提高設(shè)備可靠性，需重視散熱方案的選取與實(shí)施。
1 引言
電力電子產(chǎn)品的可靠性與器件溫度有很大關(guān)系，溫度超低器件運(yùn)行超可靠，業(yè)內(nèi)有“十度法則”或“六度法則”之說，即器件溫度每降低十度或六度，壽命提高一倍，無論是“十度法則”還是“六度法則”，雖無明確嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撟C明，但是工程經(jīng)驗(yàn)是能夠充分說明，器件溫度與器件壽命有密切的關(guān)系。
電子產(chǎn)品運(yùn)行有電流產(chǎn)生，器件本身就產(chǎn)生損耗，而導(dǎo)致發(fā)熱，而使器件溫度升高。為保證可靠運(yùn)行就必須降低器件溫度，而采取各種方法、優(yōu)化控制，降低開關(guān)頻率等。還有一個(gè)更重要的方面就散熱，將熱量快速帶走，使器件溫度降低。這篇文章重點(diǎn)講一下散熱方式相關(guān)問題。
器件發(fā)熱由內(nèi)向外傳導(dǎo)，與人一樣，熱了需要降溫，要不然就會(huì)出現(xiàn)問題，如中暑甚至更嚴(yán)重的問題，設(shè)備也是如此，發(fā)熱嚴(yán)重也會(huì)出現(xiàn)問題，輕則故障保護(hù)，重則失效。
散熱方式有以下幾種常用方式：自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、空調(diào)致冷、空水冷、純水冷。
自熱冷卻對于小功率設(shè)備在某些必要場合是適用的，大功率設(shè)備如果采用自熱冷卻方式，要保證設(shè)備能可靠運(yùn)行，設(shè)備容量需是所需功率的許多倍，成本、體積等均十分龐大，十分不經(jīng)濟(jì)，因此一般不采用。
強(qiáng)迫風(fēng)冷方式：即通風(fēng)降溫，如同我們夏天吹風(fēng)扇降溫一樣，是比較經(jīng)濟(jì)的方式，但也有很多問題與注意事項(xiàng)，后文中詳細(xì)說明。
空調(diào)致冷：就是用空調(diào)對器件產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻，降低的是環(huán)境溫度，一般與風(fēng)冷配合使用。
空水冷：即風(fēng)機(jī)與水冷設(shè)備配合降溫。風(fēng)機(jī)將設(shè)備熱量引出，經(jīng)水冷換熱器降溫后再將冷風(fēng)吹進(jìn)設(shè)備，以使設(shè)備降溫，相對經(jīng)濟(jì)。
純水冷：即設(shè)備直接采用水冷方式，而非采用風(fēng)機(jī)散熱，設(shè)備散熱器為水冷散熱器，用水循環(huán)進(jìn)行散熱，工藝相對復(fù)雜，成本最高。
下面主要介紹一下風(fēng)冷（含空調(diào)）、空水冷、水冷的優(yōu)缺點(diǎn)與使用的維護(hù)注意事項(xiàng)。
2 空調(diào)致冷
必須為密閉空間，如同我們的辦公室，開著窗戶開空調(diào)效果不好，另外空間要適宜，不能太大，也不能太小。太大致冷效果不好，所需空調(diào)多，能源浪費(fèi)嚴(yán)重；太小，致冷效果也不好，但設(shè)備產(chǎn)生的熱量內(nèi)循環(huán)空氣流量不足以將熱量引出，致設(shè)備內(nèi)部溫升高。房間大小原則是設(shè)備前后左右各有2米空間，頂部1.5米為適宜，根據(jù)不同的設(shè)備發(fā)熱量選配合適數(shù)量的空調(diào)。另外需要有至少1臺備用裕量以防空調(diào)損壞引起制冷不足，導(dǎo)致設(shè)備故障。
3 空水冷方式
空水冷與空調(diào)制冷類似，房間也需要密閉，設(shè)備產(chǎn)生的熱量用風(fēng)道引出，經(jīng)過水冷換熱器將熱風(fēng)降溫后，再吹入室內(nèi)，以循環(huán)冷卻降低設(shè)備溫度。空水冷需注意風(fēng)道出風(fēng)量要足夠，風(fēng)阻盡可能少，不要窩風(fēng)以免熱風(fēng)排不出，再就是空間也需適宜，與空調(diào)制冷類似，不再詳述。
空水冷要有合適的水源，水溫不高于常溫，能循環(huán)使用，保證水源潔凈，以避免換熱器腐蝕、結(jié)垢，以防漏水及影響換熱效果。使用過程循環(huán)水泵的可靠性是一個(gè)重要問題，要有備用泵，并有備用電源保證水冷系統(tǒng)的可靠性才能保證制冷效果的可靠，才能保證設(shè)備可靠運(yùn)行。
4 水冷方式
此方式相對比較復(fù)雜，成本比較高、基本只有在超大功率設(shè)備中風(fēng)冷無法滿足散熱需求的情況或是在戶外需要密閉空間運(yùn)行時(shí)使用。
這種水冷方式為純水冷方式與前面講的空水冷方式有很大差異。空水冷實(shí)際還是靠風(fēng)機(jī)散熱，此時(shí)水冷相當(dāng)于空調(diào)的作用，而純水冷則沒有風(fēng)機(jī)散熱了，水冷系統(tǒng)直接設(shè)計(jì)在設(shè)備內(nèi)，用水直接把設(shè)備產(chǎn)生的熱量帶走，而外圍加一個(gè)換熱器，水空換熱器即用風(fēng)機(jī)冷卻循環(huán)水，降低水溫，前面講的空水冷是用水冷卻空氣，降低空氣溫度。
純水冷工藝復(fù)雜要求高，水需用純水，保證潔凈度、不結(jié)垢、去離子、有較低電導(dǎo)率，保證絕緣性能。水溫控制要適宜，不能形成凝露。水需要防凍，以免在設(shè)備停運(yùn)時(shí)冬天凍壞管道。此冷卻方式在超大功率產(chǎn)品應(yīng)用效果較好，性價(jià)比較高。用戶需要有一定的維護(hù)保養(yǎng)技能，平時(shí)注意觀察是否有漏水、滲水等，補(bǔ)水時(shí)需同比例加防凍液，換熱器需及時(shí)清理，以免堵塞風(fēng)道造成水溫升高影響冷卻效果。
5 風(fēng)冷方式
大部分工況還是以強(qiáng)迫風(fēng)冷為主，下面主要介紹一下強(qiáng)迫風(fēng)冷在應(yīng)用中的一些問題，以在應(yīng)用中注意避免，以免出現(xiàn)散熱效果不良的情況。強(qiáng)迫風(fēng)冷如果不用空調(diào)制冷，都會(huì)用風(fēng)道將熱風(fēng)排出室外的方式以降低室溫，降低進(jìn)風(fēng)溫度。用這種方式需要注意幾個(gè)問題：
（1）進(jìn)風(fēng)口要足夠且要大于出風(fēng)口面積，根據(jù)設(shè)備發(fā)熱量不一樣會(huì)有不一樣的要求，要嚴(yán)格按設(shè)備廠家提供的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行房間設(shè)計(jì)。由于進(jìn)風(fēng)口要加濾棉防止灰塵進(jìn)入，因此需根據(jù)濾棉情況按有效通風(fēng)面積計(jì)算，濾棉要及時(shí)清理以防堵塞。
（2）出風(fēng)口要稍低于設(shè)備出風(fēng)口，即風(fēng)道向下傾斜并加彎頭，以免雨水倒灌進(jìn)設(shè)備，出口要加防護(hù)網(wǎng)，以防止小動(dòng)物等進(jìn)入，引發(fā)事故。
（3）風(fēng)道設(shè)計(jì)很重要，這很多時(shí)候取決于設(shè)備放置位置，在此提醒用戶，如果想采用風(fēng)道外排風(fēng)的方式冷卻，則在設(shè)計(jì)之初就要規(guī)劃設(shè)備的擺放位置，以便順暢的走風(fēng)道。設(shè)備出風(fēng)口不要對著梁、柱子等。設(shè)備不要離戶外排放口（比如墻）等太遠(yuǎn)，風(fēng)道太長，風(fēng)阻大，不利于外排風(fēng)，易窩風(fēng)影響散熱。
（4）風(fēng)道不能有較大風(fēng)阻，拐彎太多、太急則風(fēng)阻大，窩風(fēng)導(dǎo)致散熱不良，拐彎最好45度角，盡量避免90度角直拐。如圖1所示為風(fēng)道拐彎太直情況（不合適）。
圖1 風(fēng)道拐彎太直情況（不合適）
（5）現(xiàn)場易出現(xiàn)的問題
①無空調(diào)、無風(fēng)道、房間密閉、空間狹小，室內(nèi)溫度高。
②有風(fēng)道、但只有出風(fēng)沒有進(jìn)風(fēng)，負(fù)壓大，沒有足夠風(fēng)量帶走熱量，致設(shè)備溫度高。如圖2所示的風(fēng)道不暢情況。
③進(jìn)口太小，近乎于無，同樣負(fù)壓大，散熱效果差。如圖3所示情況。
圖2 風(fēng)道不暢
圖3 進(jìn)風(fēng)口太小
6 總結(jié)
對于工業(yè)現(xiàn)場一般都比較臟，各種比較多，有些場合還是有導(dǎo)電灰塵，對于電氣設(shè)備來講很影響可靠性，因此從經(jīng)濟(jì)、可靠性等各方面比較建議用戶采用空水冷方案。既可做到房間密閉不進(jìn)灰塵，還能有比較好的致冷效果保證設(shè)備可靠運(yùn)行，性價(jià)比高。電氣設(shè)備的可靠性與溫度是成反比的，溫度越低可靠性越高，反之溫度越高可靠性越低。為了設(shè)備可靠運(yùn)行，需重視散熱方案的選取與實(shí)施。
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