电力电子设备散热方式解析

       众所周知，电力电子产品的可靠性与器件温度有很大关系，本文通过对电力电子设备常见的各种散热方式的论述，提出了为提高设备可靠性，需重视散热方案的选取与实施。

1  引言

       电力电子产品的可靠性与器件温度有很大关系，温度超低器件运行超可靠，业内有“十度法则”或“六度法则”之说，即器件温度每降低十度或六度，寿命提高一倍，无论是“十度法则”还是“六度法则”，虽无明确严谨的理论证明，但是工程经验是能够充分说明，器件温度与器件寿命有密切的关系。

       电子产品运行有电流产生，器件本身就产生损耗，而导致发热，而使器件温度升高。为保证可靠运行就必须降低器件温度，而采取各种方法、优化控制，降低开关频率等。还有一个更重要的方面就散热，将热量快速带走，使器件温度降低。这篇文章重点讲一下散热方式相关问题。

       器件发热由内向外传导，与人一样，热了需要降温，要不然就会出现问题，如中暑甚至更严重的问题，设备也是如此，发热严重也会出现问题，轻则故障保护，重则失效。

       散热方式有以下几种常用方式：自然冷却、强迫风冷、空调致冷、空水冷、纯水冷。

       自热冷却对于小功率设备在某些必要场合是适用的，大功率设备如果采用自热冷却方式，要保证设备能可靠运行，设备容量需是所需功率的许多倍，成本、体积等均十分庞大，十分不经济，因此一般不采用。

       强迫风冷方式：即通风降温，如同我们夏天吹风扇降温一样，是比较经济的方式，但也有很多问题与注意事项，后文中详细说明。

       空调致冷：就是用空调对器件产生的热量进行冷却，降低的是环境温度，一般与风冷配合使用。

       空水冷：即风机与水冷设备配合降温。风机将设备热量引出，经水冷换热器降温后再将冷风吹进设备，以使设备降温，相对经济。

       纯水冷：即设备直接采用水冷方式，而非采用风机散热，设备散热器为水冷散热器，用水循环进行散热，工艺相对复杂，成本最高。

下面主要介绍一下风冷（含空调）、空水冷、水冷的优缺点与使用的维护注意事项。

2  空调致冷

       必须为密闭空间，如同我们的办公室，开着窗户开空调效果不好，另外空间要适宜，不能太大，也不能太小。太大致冷效果不好，所需空调多，能源浪费严重；太小，致冷效果也不好，但设备产生的热量内循环空气流量不足以将热量引出，致设备内部温升高。房间大小原则是设备前后左右各有2米空间，顶部1.5米为适宜，根据不同的设备发热量选配合适数量的空调。另外需要有至少1台备用裕量以防空调损坏引起制冷不足，导致设备故障。

3  空水冷方式

       空水冷与空调制冷类似，房间也需要密闭，设备产生的热量用风道引出，经过水冷换热器将热风降温后，再吹入室内，以循环冷却降低设备温度。空水冷需注意风道出风量要足够，风阻尽可能少，不要窝风以免热风排不出，再就是空间也需适宜，与空调制冷类似，不再详述。

       空水冷要有合适的水源，水温不高于常温，能循环使用，保证水源洁净，以避免换热器腐蚀、结垢，以防漏水及影响换热效果。使用过程循环水泵的可靠性是一个重要问题，要有备用泵，并有备用电源保证水冷系统的可靠性才能保证制冷效果的可靠，才能保证设备可靠运行。

4  水冷方式

       此方式相对比较复杂，成本比较高、基本只有在超大功率设备中风冷无法满足散热需求的情况或是在户外需要密闭空间运行时使用。

       这种水冷方式为纯水冷方式与前面讲的空水冷方式有很大差异。空水冷实际还是靠风机散热，此时水冷相当于空调的作用，而纯水冷则没有风机散热了，水冷系统直接设计在设备内，用水直接把设备产生的热量带走，而外围加一个换热器，水空换热器即用风机冷却循环水，降低水温，前面讲的空水冷是用水冷却空气，降低空气温度。

       纯水冷工艺复杂要求高，水需用纯水，保证洁净度、不结垢、去离子、有较低电导率，保证绝缘性能。水温控制要适宜，不能形成凝露。水需要防冻，以免在设备停运时冬天冻坏管道。此冷却方式在超大功率产品应用效果较好，性价比较高。用户需要有一定的维护保养技能，平时注意观察是否有漏水、渗水等，补水时需同比例加防冻液，换热器需及时清理，以免堵塞风道造成水温升高影响冷却效果。

5  风冷方式

       大部分工况还是以强迫风冷为主，下面主要介绍一下强迫风冷在应用中的一些问题，以在应用中注意避免，以免出现散热效果不良的情况。强迫风冷如果不用空调制冷，都会用风道将热风排出室外的方式以降低室温，降低进风温度。用这种方式需要注意几个问题：

    （1）进风口要足够且要大于出风口面积，根据设备发热量不一样会有不一样的要求，要严格按设备厂家提供的相关数据进行房间设计。由于进风口要加滤棉防止灰尘进入，因此需根据滤棉情况按有效通风面积计算，滤棉要及时清理以防堵塞。

    （2）出风口要稍低于设备出风口，即风道向下倾斜并加弯头，以免雨水倒灌进设备，出口要加防护网，以防止小动物等进入，引发事故。

    （3）风道设计很重要，这很多时候取决于设备放置位置，在此提醒用户，如果想采用风道外排风的方式冷却，则在设计之初就要规划设备的摆放位置，以便顺畅的走风道。设备出风口不要对着梁、柱子等。设备不要离户外排放口（比如墙）等太远，风道太长，风阻大，不利于外排风，易窝风影响散热。

    （4）风道不能有较大风阻，拐弯太多、太急则风阻大，窝风导致散热不良，拐弯最好45度角，尽量避免90度角直拐。如图1所示为风道拐弯太直情况（不合适）。

图1  风道拐弯太直情况（不合适）

     （5）现场易出现的问题

①无空调、无风道、房间密闭、空间狭小，室内温度高。

②有风道、但只有出风没有进风，负压大，没有足够风量带走热量，致设备温度高。如图2所示的风道不畅情况。

③进口太小，近乎于无，同样负压大，散热效果差。如图3所示情况。

   图2  风道不畅    

                                                                                 图3 进风口太小                                                                                                                                       

6  总结

       对于工业现场一般都比较脏，各种比较多，有些场合还是有导电灰尘，对于电气设备来讲很影响可靠性，因此从经济、可靠性等各方面比较建议用户采用空水冷方案。既可做到房间密闭不进灰尘，还能有比较好的致冷效果保证设备可靠运行，性价比高。电气设备的可靠性与温度是成反比的，温度越低可靠性越高，反之温度越高可靠性越低。为了设备可靠运行，需重视散热方案的选取与实施。

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