淺談電力電子器件強(qiáng)迫風(fēng)冷中風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)

電力電子裝置中相對(duì)來(lái)說(shuō)工作時(shí)產(chǎn)生自身功耗最大的部分應(yīng)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(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫風(fēng)冷措施。用流動(dòng)空氣把器件上的熱量帶走。所以說(shuō)，用風(fēng)機(jī)對(duì)大功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷的設(shè)計(jì)比比皆是。

風(fēng)冷裝置絕對(duì)離不開(kāi)風(fēng)機(jī)。如何科學(xué)地使用風(fēng)機(jī)，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(fēng)”——流動(dòng)著的空氣，屬于空氣動(dòng)力學(xué)范疇的物理現(xiàn)象，真有點(diǎn)不知如何入手才好。不得不從頭開(kāi)始學(xué)點(diǎn)“空氣動(dòng)力學(xué)”。

先從風(fēng)機(jī)樣本開(kāi)始。風(fēng)機(jī)樣本中對(duì)每種風(fēng)機(jī)都列出一套工作曲線(xiàn)(見(jiàn)圖一)，縱坐標(biāo)是△Pt，

橫坐標(biāo)是單位時(shí)間空氣流量V(單位是m3/h)。樣本中把△Pt稱(chēng)作為“全壓”(常稱(chēng)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)壓)，它由“靜壓”和“動(dòng)壓”組成，即：全壓=靜壓+動(dòng)壓。在空氣動(dòng)力學(xué)中，全壓表示流動(dòng)空氣的總能量，他所包含的動(dòng)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(fēng)壓△Pt是相對(duì)周?chē)髿鈦?lái)說(shuō)的，是一種相對(duì)壓力，即以周?chē)拇髿鈮簽榱泓c(diǎn)起算的壓力。

【圖一】 風(fēng)機(jī)的特性曲線(xiàn)

圖中曲線(xiàn)有兩種：第一種是風(fēng)機(jī)工作時(shí)，△Pt與流量V關(guān)系曲線(xiàn)?！鱌t減小時(shí)流量減少;第二種是一條從原點(diǎn)開(kāi)始向上翹的的曲線(xiàn)，表示流動(dòng)空氣遇到前方阻力(稱(chēng)為“流阻”)后，流量與流阻的關(guān)系曲線(xiàn)。此時(shí)縱坐標(biāo)為流阻△P、橫坐標(biāo)仍為單位時(shí)間流量V，曲線(xiàn)表示流量V增大，風(fēng)道截面不變，相當(dāng)于流速增大，會(huì)使流阻增大，。兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)就是“風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)”。

在電力電子裝置中，風(fēng)機(jī)把空氣吹向散熱器，從散熱片的縫隙中流過(guò)，這相當(dāng)于風(fēng)道截面由大變小，空氣流速增加，同時(shí)會(huì)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(dāng)?shù)囊徊糠诛L(fēng)機(jī)風(fēng)壓△Pt 。與此相對(duì)應(yīng)的空氣流量即為此時(shí)實(shí)際風(fēng)量。

此圖告訴我們：

1， 流阻與風(fēng)速平方成正比。風(fēng)速增加，流阻增加，反過(guò)來(lái)阻力大了又會(huì)抑制風(fēng)速增加，是一種負(fù)反饋。工作點(diǎn)是動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。

2， 選用風(fēng)機(jī)的△Pt參數(shù)(最大風(fēng)壓)要適當(dāng)大于預(yù)見(jiàn)的流阻(約1—2倍)。

3， 流動(dòng)空氣從風(fēng)道流出進(jìn)入大氣除了有一定的風(fēng)速外，與大氣中空氣無(wú)異?？梢赃@么說(shuō)其能量基本上以動(dòng)壓表示。

有上述兩種曲線(xiàn)是預(yù)測(cè)未來(lái)工作時(shí)實(shí)際工作點(diǎn)，空氣流量、流速的必要條件，也是設(shè)計(jì)的需要。第一種曲線(xiàn)是風(fēng)機(jī)生產(chǎn)單位提供的。第二種曲線(xiàn)是在風(fēng)道及散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定后才有可能找到，必須自行解決。沒(méi)有第二種曲線(xiàn)即風(fēng)道內(nèi)散熱器流阻曲線(xiàn)就無(wú)法找到實(shí)際工作點(diǎn)，無(wú)法知道未來(lái)工作時(shí)空氣流量、流速，于是散熱效果就無(wú)法預(yù)知。如何取得第二種曲線(xiàn)呢?常用的只有兩種辦法：計(jì)算或?qū)嶋H測(cè)試。

首先試圖用計(jì)算得到函數(shù)關(guān)系式。

我認(rèn)真地閱讀了有關(guān)與強(qiáng)迫風(fēng)冷有關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)內(nèi)容。希望能找到流量與流阻的關(guān)系式，即第二種曲線(xiàn)的函數(shù)關(guān)系，這樣可以在坐標(biāo)紙上作出第二種曲線(xiàn)，由此定出“風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)”。結(jié)果這種想法未能實(shí)現(xiàn)。原因很簡(jiǎn)單：散熱器風(fēng)道雖不長(zhǎng)，但問(wèn)題復(fù)雜，低速時(shí)阻力能量損失包括“沿程損失”、“局部損失”等，各有各的計(jì)算公式，加上實(shí)際使用的散熱器形狀各異、外形變化萬(wàn)千使問(wèn)題復(fù)雜化，式內(nèi)很多常數(shù)、系數(shù)(有的還需用另外公式進(jìn)行計(jì)算得出)如各種阻力系數(shù)、局部損失系數(shù)、當(dāng)量水力直徑等確定十分困難。

想了想，何不推薦用測(cè)試的辦法解決呢?國(guó)標(biāo)“GB-T 8446.2-2004 電力半導(dǎo)體器件用散熱器 第2部分：熱阻和流阻測(cè)試方法”提出了具體的測(cè)試方法(見(jiàn)圖二)。此標(biāo)準(zhǔn)幾乎是講散熱器熱阻測(cè)試，只是在裝置風(fēng)道中增加了一套DJM9補(bǔ)償式微壓計(jì)，直接讀數(shù)就可測(cè)得某風(fēng)速下的流阻值(壓差△P)。此標(biāo)準(zhǔn)提出的設(shè)備用于熱阻和流阻兩個(gè)參數(shù)的測(cè)試，現(xiàn)只要測(cè)流阻一個(gè)參數(shù)，設(shè)備可以大大簡(jiǎn)化，只要圖三這樣一個(gè)風(fēng)道就可。風(fēng)機(jī)和接口是固定不變的，被測(cè)散熱器及前后測(cè)試探頭插入部分的風(fēng)道尺寸應(yīng)按國(guó)標(biāo)規(guī)定的尺寸安排，要按被測(cè)散熱器尺寸設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，可測(cè)不同風(fēng)速下的流阻。L是散熱器長(zhǎng)，如設(shè)計(jì)兩塊散熱器串聯(lián)運(yùn)行，則要用兩塊散熱器樣品按設(shè)計(jì)安排測(cè)試。因?yàn)樵O(shè)備很簡(jiǎn)單，花不了很多錢(qián)。對(duì)選用散熱器比較頻繁的公司有這樣一臺(tái)測(cè)試臺(tái)是十分方便的。有人說(shuō)先憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，裝出設(shè)備做試驗(yàn)實(shí)測(cè)，有問(wèn)題再改。這樣做也可以，但經(jīng)驗(yàn)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(jì)過(guò)頭，成本上去，批量生產(chǎn)不經(jīng)濟(jì)。

說(shuō)到這里還有個(gè)問(wèn)題。此設(shè)備測(cè)得的是不同風(fēng)速下的流阻，而要的是不同流量下的流阻。還有測(cè)試的是一套散熱器，實(shí)際設(shè)計(jì)的可能有兩套或三套甚至更多套并列，風(fēng)道截面相應(yīng)加大，如何換算呢?回答是：縱坐標(biāo)為測(cè)得的流阻值(壓差△P)，橫坐標(biāo)用下列公式換算：

空氣流量(m3/h)= 風(fēng)速(m /s)× 設(shè)計(jì)風(fēng)道截面積(m2)×3600

【圖二】風(fēng)冷散熱器的流阻測(cè)試原理

【圖三】風(fēng)冷散熱器流阻測(cè)試臺(tái)外形圖

介紹上面這些，用意就是想知道風(fēng)機(jī)選得合適與否。知道了工作點(diǎn)的風(fēng)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(jiàn)本網(wǎng)站“大功率半導(dǎo)體器件用散熱器風(fēng)冷熱阻計(jì)算公式和應(yīng)用軟件”)。進(jìn)一步算出所用電力電子器件工作時(shí)的結(jié)溫。驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理。

坦率說(shuō)，以前對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)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(cuò)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(cè)試設(shè)備，以前曾給別人做過(guò)設(shè)計(jì)，圖紙放在柜中也是浪費(fèi)。如有需要者請(qǐng)與網(wǎng)站聯(lián)系可免費(fèi)提供?？赡茉O(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)與所需有出入，故提供圖紙僅供參考。

編者簡(jiǎn)介：朱英文：(1939- )，高級(jí)工程師，現(xiàn)任北京京儀椿樹(shù)整流器有限責(zé)任公司技術(shù)顧問(wèn)，中國(guó)電力電子產(chǎn)業(yè)網(wǎng)特約顧問(wèn)，主要研究電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用中的熱設(shè)計(jì)和電力半導(dǎo)體器件主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。曾參與專(zhuān)業(yè)詞典、書(shū)籍的編寫(xiě)、翻譯等工作。主要成果有：“無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)用旋轉(zhuǎn)整流管設(shè)計(jì)和制造”，“晶閘管芯片球面磨角工藝”“大功率半導(dǎo)體器件用散熱器風(fēng)冷熱阻計(jì)算方法”等