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電力電子設備散熱方式解析

日期：2021-05-18　來源：

0 引言

電力電子產品的可靠性與器件溫度有很大關系，溫度超低器件運行超可靠，業內有“十度法則”“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”，雖無明確嚴謹的理論證明，但是工程經驗是能夠充分說明，器件溫度與器件壽命有密切的關系。

電子產品運行有電流產生，器件本身就產生損耗，而導致發熱，而使器件溫度升高。為保證可靠運行就必須降低器件溫度，而采取各種方法、優化控制，降低開關頻率等。還有一個更重要的方面就散熱，將熱量快速帶走，使器件溫度降低。這篇文章重點講一下散熱方式相關問題。

器件發熱由內向外傳導，與人一樣，熱了需要降溫，要不然就會出現問題，如中暑甚至更嚴重的問題，設備也是如此，發熱嚴重也會出現問題，輕則故障保護，重則失效。

散熱方式有以下幾種常用方式：自然冷卻、強迫風冷、空調致冷、空水冷、純水冷。

自熱冷卻對于小功率設備在某些必要場合是適用的，大功率設備如果采用自熱冷卻方式，要保證設備能可靠運行，設備容量需是所需功率的許多倍，成本、體積等均十分龐大，十分不經濟，因此一般不采用。

強迫風冷方式：即通風降溫，如同我們夏天吹風扇降溫一樣，是比較經濟的方式，但也有很多問題與注意事項，后文中詳細說明。

空調致冷：就是用空調對器件產生的熱量進行冷卻，降低的是環境溫度，一般與風冷配合使用。

空水冷：即風機與水冷設備配合降溫。風機將設備熱量引出，經水冷換熱器降溫后再將冷風吹進設備，以使設備降溫，相對經濟。

純水冷：即設備直接采用水冷方式，而非采用風機散熱，設備散熱器為水冷散熱器，用水循環進行散熱，工藝相對復雜，成本最高。

下面主要介紹一下風冷（含空調）、空水冷、水冷的優缺點與使用的維護注意事項。

1 空調致冷

必須為密閉空間，如同我們的辦公室，開著窗戶開空調效果不好，另外空間要適宜，不能太大，也不能太小。太大致冷效果不好，所需空調多，能源浪費嚴重；太小，致冷效果也不好，但設備產生的熱量內循環空氣流量不足以將熱量引出，致設備內部溫升高。房間大小原則是設備前后左右各有2米空間，頂部1.5米為適宜，根據不同的設備發熱量選配合適數量的空調。另外需要有至少1臺備用裕量以防空調損壞引起制冷不足，導致設備故障。

2 空水冷方式

空水冷與空調制冷類似，房間也需要密閉，設備產生的熱量用風道引出，經過水冷換熱器將熱風降溫后，再吹入室內，以循環冷卻降低設備溫度?？账湫枳⒁怙L道出風量要足夠，風阻盡可能少，不要窩風以免熱風排不出，再就是空間也需適宜，與空調制冷類似，不再詳述。

空水冷要有合適的水源，水溫不高于常溫，能循環使用，保證水源潔凈，以避免換熱器腐蝕、結垢，以防漏水及影響換熱效果。使用過程循環水泵的可靠性是一個重要問題，要有備用泵，并有備用電源保證水冷系統的可靠性才能保證制冷效果的可靠，才能保證設備可靠運行。

3 水冷方式

此方式相對比較復雜，成本比較高、基本只有在超大功率設備中風冷無法滿足散熱需求的情況或是在戶外需要密閉空間運行時使用。

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?？账鋵嶋H還是靠風機散熱，此時水冷相當于空調的作用，而純水冷則沒有風機散熱了，水冷系統直接設計在設備內，用水直接把設備產生的熱量帶走，而外圍加一個換熱器，水空換熱器即用風機冷卻循環水，降低水溫，前面講的空水冷是用水冷卻空氣，降低空氣溫度。

純水冷工藝復雜要求高，水需用純水，保證潔凈度、不結垢、去離子、有較低電導率，保證絕緣性能。水溫控制要適宜，不能形成凝露。水需要防凍，以免在設備停運時冬天凍壞管道。此冷卻方式在超大功率產品應用效果較好，性價比較高。用戶需要有一定的維護保養技能，平時注意觀察是否有漏水、滲水等，補水時需同比例加防凍液，換熱器需及時清理，以免堵塞風道造成水溫升高影響冷卻效果。

4 風冷方式

大部分工況還是以強迫風冷為主，下面主要介紹一下強迫風冷在應用中的一些問題，以在應用中注意避免，以免出現散熱效果不良的情況。強迫風冷如果不用空調制冷，都會用風道將熱風排出室外的方式以降低室溫，降低進風溫度。用這種方式需要注意幾個問題：

（1）進風口要足夠且要大于出風口面積，根據設備發熱量不一樣會有不一樣的要求，要嚴格按設備廠家提供的相關數據進行房間設計。由于進風口要加濾棉防止灰塵進入，因此需根據濾棉情況按有效通風面積計算，濾棉要及時清理以防堵塞。

（2）出風口要稍低于設備出風口，即風道向下傾斜并加彎頭，以免雨水倒灌進設備，出口要加防護網，以防止小動物等進入，引發事故。

（3）風道設計很重要，這很多時候取決于設備放置位置，在此提醒用戶，如果想采用風道外排風的方式冷卻，則在設計之初就要規劃設備的擺放位置，以便順暢的走風道。設備出風口不要對著梁、柱子等。設備不要離戶外排放口（比如墻）等太遠，風道太長，風阻大，不利于外排風，易窩風影響散熱。

（4）風道不能有較大風阻，拐彎太多、太急則風阻大，窩風導致散熱不良，拐彎最好45度角，盡量避免90度角直拐。

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