淺談簡易變頻器散熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

    簡易變頻器在工作過程中，因主回路中功率器件損耗而產(chǎn)生熱量，從而影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行，若簡易變頻器系統(tǒng)的散熱能力不強(qiáng)，則功率的耗散就會(huì)造成電力電子器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及其結(jié)溫升高。電力電子器件的失效率與其結(jié)溫成指數(shù)關(guān)系[1]，即其性能隨著結(jié)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，隨著中大功率簡易變頻器得到越來越廣泛的應(yīng)用，為了提高其工作性能和可靠性，在簡易變頻器系統(tǒng)中采取合理的外部散熱措施，顯得非常必要和迫切。

    目前，簡易變頻器設(shè)備常用的散熱技術(shù)有：自然空氣散熱、強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷和熱管等，本文闡述這幾種常用散熱技術(shù)的原理和特點(diǎn)，根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際需要，研發(fā)設(shè)計(jì)人員可以選擇相應(yīng)的散熱技術(shù)。

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(shí)現(xiàn)簡易變頻器發(fā)熱器件向周圍環(huán)境散熱達(dá)到溫度控制的目的。通常包含導(dǎo)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?？諝庾匀簧岱绞酵m用于功耗低于50w，對溫度控制要求不高、器件發(fā)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(shù)的情況下。另外，采用此種散熱方式的簡易變頻器需要加大散熱器的體積和面積來實(shí)現(xiàn)自然冷卻。此種散熱方式的缺點(diǎn)是：自由對流時(shí)散熱器的熱阻往往大于功率模塊的內(nèi)部熱阻。

 

    2.2強(qiáng)制風(fēng)冷散熱

 

    風(fēng)冷散熱器分為翅片散熱片和風(fēng)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(fù)責(zé)將熱源發(fā)出的熱量引出；風(fēng)扇則用來給散熱器強(qiáng)制對流冷卻降溫。其冷卻效果與使用的散熱器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。目前有關(guān)研究主要集中在散熱器的散熱特性及結(jié)構(gòu)、材料的優(yōu)化上。影響強(qiáng)制對流冷卻效果的另一個(gè)參數(shù)是風(fēng)速，風(fēng)速越大， 散熱器的熱阻越小，但流動(dòng)阻力越大，適當(dāng)提高風(fēng)速有利于熱阻的降低，但風(fēng)速超過一定數(shù)值之后再提高已無多大意義[3] 。

 

    該散熱方式主要應(yīng)用于沒有特殊要求及一般功率等級的系統(tǒng)。由于具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，而成為最常用的散熱方法之一；其缺點(diǎn)則是:不能將系統(tǒng)溫度降至室溫以下；且因風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)而存在噪音大且同時(shí)風(fēng)扇的壽命有時(shí)間限制。采用此種散熱方式要求通風(fēng)條件良好，對于置于密閉的殼體內(nèi)的簡易變頻器不適用。

 

    2.3 水冷散熱

 

    盡管風(fēng)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(yīng)用。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，氣體強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的大致范圍為20~100w/(m2·℃)，水強(qiáng)制對流的換熱系數(shù)高達(dá)15000w/(m2·℃)，是氣體強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的百倍以上。

 

    目前，很多簡易變頻器裝置都是用水冷裝置作為散熱系統(tǒng)。水冷散熱系統(tǒng)是一個(gè)密閉的液體循環(huán)裝置，如圖2所示，通過泵產(chǎn)生的動(dòng)力，推動(dòng)密閉系統(tǒng)中的液體循環(huán)，將吸熱盒吸收的芯片產(chǎn)生的熱量，通過液體的循環(huán)，帶到面積更大的散熱裝置，進(jìn)行散熱。冷卻后的液體再次回流到吸熱設(shè)備，如此循環(huán)往復(fù)。另外還有一種水冷散熱方式是通過不斷補(bǔ)充新的冷卻水進(jìn)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(tǒng)沒有風(fēng)扇，所以不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，噪聲也相對較小。其缺點(diǎn)是價(jià)格比較昂貴，而且水在密閉狀態(tài)下容易發(fā)生結(jié)垢、變質(zhì)，在使用過程中還要完全杜絕漏水、斷水等情況的發(fā)生。同時(shí)該系統(tǒng)在使用過程中由于水的流動(dòng)會(huì)造成電子元件周圍電磁場的一些變化，可能會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

 

    2.4 熱管散熱

 

    熱管是一種傳熱性極好的人工構(gòu)件，它利用“相變”傳熱的原理，與一般金屬材料實(shí)體材料和天然傳熱方式完全不同。熱管的結(jié)構(gòu)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(zhì)等組成。將管內(nèi)氣體抽出部分，變?yōu)槎ㄖ档呢?fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)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(zhì)從蒸發(fā)段吸收熱源產(chǎn)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(jié)成液體，凝結(jié)液再在吸液芯毛細(xì)抽吸力的作用下從冷凝段流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)往復(fù)，不斷將熱量自蒸發(fā)段傳遞向冷凝段。熱管最大的優(yōu)點(diǎn)是能在溫差很小的情況下傳遞大量熱量，其相對導(dǎo)熱率是銅的幾百倍，被稱為“近超導(dǎo)熱體” [5]。

    圖2 水冷散熱系統(tǒng)

 

    3 結(jié)束語

 

    本文對比分析了簡易變頻器的空氣自然散熱、強(qiáng)制風(fēng)冷散熱、水冷散熱和

 

    熱管散熱的原理和特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)和實(shí)際需要進(jìn)行系統(tǒng)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(shí)使用。

圖3 熱管散熱系統(tǒng)

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