電力電子裝置中相對來說工作時產(chǎn)生自身功耗最大的部分應該是電力電子器件：晶閘管、整流管、IGBT等。這部分自身功耗以熱的形式表現(xiàn)，使器件自身溫度升高。于是有了散熱器和風機的強迫風冷措施。用流動空氣把器件上的熱量帶走。所以說，用風機對大功率半導體器件進行強迫風冷的設(shè)計比比皆是。
風冷裝置絕對離不開風機。如何科學地使用風機，提高冷卻效果引起了我的關(guān)注。于是下了功夫研究了一番。搞了數(shù)十年的電，現(xiàn)在要去了解“風”——流動著的空氣，屬于空氣動力學范疇的物理現(xiàn)象，真有點不知如何入手才好。不得不從頭開始學點“空氣動力學”。
先從風機樣本開始。風機樣本中對每種風機都列出一套工作曲線(見圖一)，縱坐標是△Pt，
橫坐標是單位時間空氣流量V(單位是m3/h)。樣本中把△Pt稱作為“全壓”(常稱風機的最大風壓)，它由“靜壓”和“動壓”組成，即：全壓=靜壓+動壓。在空氣動力學中，全壓表示流動空氣的總能量，他所包含的動壓和靜壓可以互相轉(zhuǎn)換，遵守“能量守恒與轉(zhuǎn)換定律”。這里的風壓△Pt是相對周圍大氣來說的，是一種相對壓力，即以周圍的大氣壓為零點起算的壓力。
【圖一】 風機的特性曲線
圖中曲線有兩種：第一種是風機工作時，△Pt與流量V關(guān)系曲線。△Pt減小時流量減少;第二種是一條從原點開始向上翹的的曲線，表示流動空氣遇到前方阻力(稱為“流阻”)后，流量與流阻的關(guān)系曲線。此時縱坐標為流阻△P、橫坐標仍為單位時間流量V，曲線表示流量V增大，風道截面不變，相當于流速增大，會使流阻增大，。兩條曲線的交點就是“風機工作點”。
在電力電子裝置中，風機把空氣吹向散熱器，從散熱片的縫隙中流過，這相當于風道截面由大變小，空氣流速增加，同時會產(chǎn)生大于其他位置的阻力，就是散熱器流阻△P，它抵消了與其相當?shù)囊徊糠诛L機風壓△Pt 。與此相對應的空氣流量即為此時實際風量。
此圖告訴我們：
1， 流阻與風速平方成正比。風速增加，流阻增加，反過來阻力大了又會抑制風速增加，是一種負反饋。工作點是動態(tài)平衡的結(jié)果。
2， 選用風機的△Pt參數(shù)(最大風壓)要適當大于預見的流阻(約1—2倍)。
3， 流動空氣從風道流出進入大氣除了有一定的風速外，與大氣中空氣無異?？梢赃@么說其能量基本上以動壓表示。
有上述兩種曲線是預測未來工作時實際工作點，空氣流量、流速的必要條件，也是設(shè)計的需要。第一種曲線是風機生產(chǎn)單位提供的。第二種曲線是在風道及散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計確定后才有可能找到，必須自行解決。沒有第二種曲線即風道內(nèi)散熱器流阻曲線就無法找到實際工作點，無法知道未來工作時空氣流量、流速，于是散熱效果就無法預知。如何取得第二種曲線呢?常用的只有兩種辦法：計算或?qū)嶋H測試。
首先試圖用計算得到函數(shù)關(guān)系式。
我認真地閱讀了有關(guān)與強迫風冷有關(guān)的空氣動力學內(nèi)容。希望能找到流量與流阻的關(guān)系式，即第二種曲線的函數(shù)關(guān)系，這樣可以在坐標紙上作出第二種曲線，由此定出“風機工作點”。結(jié)果這種想法未能實現(xiàn)。原因很簡單：散熱器風道雖不長，但問題復雜，低速時阻力能量損失包括“沿程損失”、“局部損失”等，各有各的計算公式，加上實際使用的散熱器形狀各異、外形變化萬千使問題復雜化，式內(nèi)很多常數(shù)、系數(shù)(有的還需用另外公式進行計算得出)如各種阻力系數(shù)、局部損失系數(shù)、當量水力直徑等確定十分困難。
想了想，何不推薦用測試的辦法解決呢?國標“GB-T 8446.2-2004 電力半導體器件用散熱器 第2部分：熱阻和流阻測試方法”提出了具體的測試方法(見圖二)。此標準幾乎是講散熱器熱阻測試，只是在裝置風道中增加了一套DJM9補償式微壓計，直接讀數(shù)就可測得某風速下的流阻值(壓差△P)。此標準提出的設(shè)備用于熱阻和流阻兩個參數(shù)的測試，現(xiàn)只要測流阻一個參數(shù)，設(shè)備可以大大簡化，只要圖三這樣一個風道就可。風機和接口是固定不變的，被測散熱器及前后測試探頭插入部分的風道尺寸應按國標規(guī)定的尺寸安排，要按被測散熱器尺寸設(shè)計。風機轉(zhuǎn)速可調(diào)，可測不同風速下的流阻。L是散熱器長，如設(shè)計兩塊散熱器串聯(lián)運行，則要用兩塊散熱器樣品按設(shè)計安排測試。因為設(shè)備很簡單，花不了很多錢。對選用散熱器比較頻繁的公司有這樣一臺測試臺是十分方便的。有人說先憑經(jīng)驗設(shè)計，裝出設(shè)備做試驗實測，有問題再改。這樣做也可以，但經(jīng)驗告訴我，一旦大局已定要改十分麻煩。散熱條件差，設(shè)備經(jīng)常燒;散熱條件設(shè)計過頭，成本上去，批量生產(chǎn)不經(jīng)濟。
說到這里還有個問題。此設(shè)備測得的是不同風速下的流阻，而要的是不同流量下的流阻。還有測試的是一套散熱器，實際設(shè)計的可能有兩套或三套甚至更多套并列，風道截面相應加大，如何換算呢?回答是：縱坐標為測得的流阻值(壓差△P)，橫坐標用下列公式換算：
空氣流量(m3/h)= 風速(m /s)× 設(shè)計風道截面積(m2)×3600
【圖二】風冷散熱器的流阻測試原理
【圖三】風冷散熱器流阻測試臺外形圖
介紹上面這些，用意就是想知道風機選得合適與否。知道了工作點的風速以及所選的散熱器的幾何尺寸就可算出該工況下的散熱器熱阻(見本網(wǎng)站“大功率半導體器件用散熱器風冷熱阻計算公式和應用軟件”)。進一步算出所用電力電子器件工作時的結(jié)溫。驗證設(shè)計是否合理。
坦率說，以前對空氣動力學很不了解，這次下功夫看了些材料，至今也只知皮毛。文中如有錯誤和不妥之處希望大家指正。更希望此文是“拋磚引玉”之舉，歡迎大家熱烈參與討論。關(guān)于測試設(shè)備，以前曾給別人做過設(shè)計，圖紙放在柜中也是浪費。如有需要者請與網(wǎng)站聯(lián)系可免費提供。可能設(shè)計參數(shù)會與所需有出入，故提供圖紙僅供參考。
編者簡介：朱英文：(1939- )，高級工程師，現(xiàn)任北京京儀椿樹整流器有限責任公司技術(shù)顧問，中國電力電子產(chǎn)業(yè)網(wǎng)特約顧問，主要研究電力半導體器件的設(shè)計、制造、應用中的熱設(shè)計和電力半導體器件主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計。曾參與專業(yè)詞典、書籍的編寫、翻譯等工作。主要成果有：“無刷勵磁發(fā)電機用旋轉(zhuǎn)整流管設(shè)計和制造”，“晶閘管芯片球面磨角工藝”“大功率半導體器件用散熱器風冷熱阻計算方法”等
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