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浅谈变频器散热技术的发展现状

发布日期:2016-05-07   浏览次数:27106
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【摘   要】:变频器在工作过程中,因主回路中功率器件损耗而产生热量,从而影响电子设备的正常运行,若变频器系统的散热能力不强,则功率的耗散就会造成电力电子器件内部芯片有源区温度上升及其结温升高。

    1 引言


    变频器在工作过程中,因主回路中功率器件损耗而产生热量,从而影响电子设备的正常运行,若变频器系统的散热能力不强,则功率的耗散就会造成电力电子器件内部芯片有源区温度上升及其结温升高。电力电子器件的失效率与其结温成指数关系[1],即其性能随着结温升高而降低。器件的工作温度每升高10℃,其失效率增加1倍[2]。因此,随着中大功率变频器得到越来越广泛的应用,为了提高其工作性能和可靠性,在变频器系统中采取合理的外部散热措施,显得非常必要和迫切。


    目前,变频器设备常用的散热技术有:自然空气散热、强制风冷、水冷和热管等,本文阐述这几种常用散热技术的原理和特点,根据工程现场实际需要,研发设计人员可以选择相应的散热技术。

    图1 翅片散热器


    2 常见散热方式


    2.1空气自然散热


    空气自然散热方式是指不使用任何外部辅助能量的情况下,实现变频器发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的。通常包含导热、对流和辐射三种主要传热方式,其中对流以自然对流方式为主。空气自然散热方式往往适用于功耗低于50w,对温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件,以及密封或密集组装的器件不宜(或不需要)采用其它冷却技术的情况下。另外,采用此种散热方式的变频器需要加大散热器的体积和面积来实现自然冷却。此种散热方式的缺点是:自由对流时散热器的热阻往往大于功率模块的内部热阻。


    2.2强制风冷散热


    风冷散热器分为翅片散热片和风扇两部分。翅片散热器是与热源直接接触的部分如图1所示,负责将热源发出的热量引出;风扇则用来给散热器强制对流冷却降温。其冷却效果与使用的散热器的结构密切相关。目前有关研究主要集中在散热器的散热特性及结构、材料的优化上。影响强制对流冷却效果的另一个参数是风速,风速越大, 散热器的热阻越小,但流动阻力越大,适当提高风速有利于热阻的降低,但风速超过一定数值之后再提高已无多大意义[3] 。


    该散热方式主要应用于没有特殊要求及一般功率等级的系统。由于具有结构简单、价格低廉、安全可靠等优点,而成为最常用的散热方法之一;其缺点则是:不能将系统温度降至室温以下;且因风扇的转动而存在噪音大且同时风扇的寿命有时间限制。采用此种散热方式要求通风条件良好,对于置于密闭的壳体内的变频器不适用。


    2.3 水冷散热


    尽管风冷散热器成本低廉,但受到散热能力的限制,随着热流密度不断提高,具有更大散热能力的水冷装置将得到越来越广泛的应用。根据文献[4],气体强制对流换热系数的大致范围为20~100w/(m2·℃),水强制对流的换热系数高达15000w/(m2·℃),是气体强制对流换热系数的百倍以上。


    目前,很多变频器装置都是用水冷装置作为散热系统。水冷散热系统是一个密闭的液体循环装置,如图2所示,通过泵产生的动力,推动密闭系统中的液体循环,将吸热盒吸收的芯片产生的热量,通过液体的循环,带到面积更大的散热装置,进行散热。冷却后的液体再次回流到吸热设备,如此循环往复。另外还有一种水冷散热方式是通过不断补充新的冷却水进行装置的冷却,将吸收了热量的水直接排出装置,但是这种水冷方式耗水量大只适用于一些特殊的场合,所以一般用前一种水冷方式。因水冷系统没有风扇,所以不会产生振动,噪声也相对较小。其缺点是价格比较昂贵,而且水在密闭状态下容易发生结垢、变质,在使用过程中还要完全杜绝漏水、断水等情况的发生。同时该系统在使用过程中由于水的流动会造成电子元件周围电磁场的一些变化,可能会影响到系统的稳定性。


    2.4 热管散热


    热管是一种传热性极好的人工构件,它利用“相变”传热的原理,与一般金属材料实体材料和天然传热方式完全不同。热管的结构是灵活多样的,相互之间差别很大,典型的热管如图3所示,由管壳、吸液芯、工作介质等组成。将管内气体抽出部分,变为定值的负压后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),两段中间布置绝热段。液体介质从蒸发段吸收热源产生的热量汽化后,在微小的压差作用下,迅速流向冷凝段,通过向冷源放出潜热而凝结成液体,凝结液再在吸液芯毛细抽吸力的作用下从冷凝段流回蒸发段。如此循环往复,不断将热量自蒸发段传递向冷凝段。热管最大的优点是能在温差很小的情况下传递大量热量,其相对导热率是铜的几百倍,被称为“近超导热体” [5]。

    图2 水冷散热系统


    3 结束语


    本文对比分析了变频器的空气自然散热、强制风冷散热、水冷散热和


    热管散热的原理和特点,工程设计人员可以根据系统特点和实际需要进行系统散热方式的选择,不用局限于一种散热方式,在特殊情况下可以选用两种或者更多种散热方式同时使用。

    图3 热管散热系统


    作者简介


    鲍卫宁(1984-) 男 硕士,电气工程师,现在就职于三一重型装备有限公司。


    参考文献


    [1] 杨桂杰,杨银堂,李跃进,等.多芯片组件热分析技术研究[j].微电子学与计算机,2003(7):78~80.


    [2] ozma t b. , in st rumen t s t. , dalla s t. x. in -terconnect technologies and the thermal performance of mcm.


    [3] ieee trans components, packaging, and manufacturing technology, 1992, 15(5):860.


    [4] 陈治明.电力电子器件基础[m].北京:机械工业出版社,1992.


    [5] 杨世铭,陶文铨.传热学(第三版)[m].北京:高等教育出版社,1999.


    作 者:三一重型装备有限公司 / 鲍卫宁 / 郭建华 / 尹 宾

 
 
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