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淺談變頻器散熱技術的發展現狀

發布日期:2016-05-07   瀏覽次數:42915
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【摘   要】:變頻器在工作過程中,因主回路中功率器件損耗而產生熱量,從而影響電子設備的正常運行,若變頻器系統的散熱能力不強,則功率的耗散就會造成電力電子器件內部芯片有源區溫度上升及其結溫升高。

    1 引言


    變頻器在工作過程中,因主回路中功率器件損耗而產生熱量,從而影響電子設備的正常運行,若變頻器系統的散熱能力不強,則功率的耗散就會造成電力電子器件內部芯片有源區溫度上升及其結溫升高。電力電子器件的失效率與其結溫成指數關系[1],即其性能隨著結溫升高而降低。器件的工作溫度每升高10℃,其失效率增加1倍[2]。因此,隨著中大功率變頻器得到越來越廣泛的應用,為了提高其工作性能和可靠性,在變頻器系統中采取合理的外部散熱措施,顯得非常必要和迫切。


    目前,變頻器設備常用的散熱技術有:自然空氣散熱、強制風冷、水冷和熱管等,本文闡述這幾種常用散熱技術的原理和特點,根據工程現場實際需要,研發設計人員可以選擇相應的散熱技術。

    圖1 翅片散熱器


    2 常見散熱方式


    2.1空氣自然散熱


    空氣自然散熱方式是指不使用任何外部輔助能量的情況下,實現變頻器發熱器件向周圍環境散熱達到溫度控制的目的。通常包含導熱、對流和輻射三種主要傳熱方式,其中對流以自然對流方式為主。空氣自然散熱方式往往適用于功耗低于50w,對溫度控制要求不高、器件發熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件,以及密封或密集組裝的器件不宜(或不需要)采用其它冷卻技術的情況下。另外,采用此種散熱方式的變頻器需要加大散熱器的體積和面積來實現自然冷卻。此種散熱方式的缺點是:自由對流時散熱器的熱阻往往大于功率模塊的內部熱阻。


    2.2強制風冷散熱


    風冷散熱器分為翅片散熱片和風扇兩部分。翅片散熱器是與熱源直接接觸的部分如圖1所示,負責將熱源發出的熱量引出;風扇則用來給散熱器強制對流冷卻降溫。其冷卻效果與使用的散熱器的結構密切相關。目前有關研究主要集中在散熱器的散熱特性及結構、材料的優化上。影響強制對流冷卻效果的另一個參數是風速,風速越大, 散熱器的熱阻越小,但流動阻力越大,適當提高風速有利于熱阻的降低,但風速超過一定數值之后再提高已無多大意義[3] 。


    該散熱方式主要應用于沒有特殊要求及一般功率等級的系統。由于具有結構簡單、價格低廉、安全可靠等優點,而成為最常用的散熱方法之一;其缺點則是:不能將系統溫度降至室溫以下;且因風扇的轉動而存在噪音大且同時風扇的壽命有時間限制。采用此種散熱方式要求通風條件良好,對于置于密閉的殼體內的變頻器不適用。


    2.3 水冷散熱


    盡管風冷散熱器成本低廉,但受到散熱能力的限制,隨著熱流密度不斷提高,具有更大散熱能力的水冷裝置將得到越來越廣泛的應用。根據文獻[4],氣體強制對流換熱系數的大致范圍為20~100w/(m2·℃),水強制對流的換熱系數高達15000w/(m2·℃),是氣體強制對流換熱系數的百倍以上。


    目前,很多變頻器裝置都是用水冷裝置作為散熱系統。水冷散熱系統是一個密閉的液體循環裝置,如圖2所示,通過泵產生的動力,推動密閉系統中的液體循環,將吸熱盒吸收的芯片產生的熱量,通過液體的循環,帶到面積更大的散熱裝置,進行散熱。冷卻后的液體再次回流到吸熱設備,如此循環往復。另外還有一種水冷散熱方式是通過不斷補充新的冷卻水進行裝置的冷卻,將吸收了熱量的水直接排出裝置,但是這種水冷方式耗水量大只適用于一些特殊的場合,所以一般用前一種水冷方式。因水冷系統沒有風扇,所以不會產生振動,噪聲也相對較小。其缺點是價格比較昂貴,而且水在密閉狀態下容易發生結垢、變質,在使用過程中還要完全杜絕漏水、斷水等情況的發生。同時該系統在使用過程中由于水的流動會造成電子元件周圍電磁場的一些變化,可能會影響到系統的穩定性。


    2.4 熱管散熱


    熱管是一種傳熱性極好的人工構件,它利用“相變”傳熱的原理,與一般金屬材料實體材料和天然傳熱方式完全不同。熱管的結構是靈活多樣的,相互之間差別很大,典型的熱管如圖3所示,由管殼、吸液芯、工作介質等組成。將管內氣體抽出部分,變為定值的負壓后充以適量的工作液體,使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發段(加熱段),另一端為冷凝段(冷卻段),兩段中間布置絕熱段。液體介質從蒸發段吸收熱源產生的熱量汽化后,在微小的壓差作用下,迅速流向冷凝段,通過向冷源放出潛熱而凝結成液體,凝結液再在吸液芯毛細抽吸力的作用下從冷凝段流回蒸發段。如此循環往復,不斷將熱量自蒸發段傳遞向冷凝段。熱管最大的優點是能在溫差很小的情況下傳遞大量熱量,其相對導熱率是銅的幾百倍,被稱為“近超導熱體” [5]。

    圖2 水冷散熱系統


    3 結束語


    本文對比分析了變頻器的空氣自然散熱、強制風冷散熱、水冷散熱和


    熱管散熱的原理和特點,工程設計人員可以根據系統特點和實際需要進行系統散熱方式的選擇,不用局限于一種散熱方式,在特殊情況下可以選用兩種或者更多種散熱方式同時使用。

    圖3 熱管散熱系統


    作者簡介


    鮑衛寧(1984-) 男 碩士,電氣工程師,現在就職于三一重型裝備有限公司。


    參考文獻


    [1] 楊桂杰,楊銀堂,李躍進,等.多芯片組件熱分析技術研究[j].微電子學與計算機,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] 陳治明.電力電子器件基礎[m].北京:機械工業出版社,1992.


    [5] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(第三版)[m].北京:高等教育出版社,1999.


    作 者:三一重型裝備有限公司 / 鮑衛寧 / 郭建華 / 尹 賓

 
 
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