大功率冷却系统

大功率电力电子装置冷却系统的原理与应用

A Discussion on Cooling Systems of High Power Electronic Equipment

陈建业

（清华大学电机工程与应用电子技术系，北京１０００８４）

摘要：大功率电力电子器件在工作过程中将产生很大的热量，因此其冷却问题是关系到装置性能和可靠性的一个至关重要的问题。文中详细讨论国内外现在广泛采用的几种不同类型冷却系统的结构、原理和优缺点。国内外的经验表明，封闭式循环水冷却系统是目前高压大功率电力电子装置冷却方式中优势最为明显、应用前景最好的一种。

关键词：大功率电力电子装置；冷却；封闭式循环水冷却系统

Abstract: Power electronic devices dissipate very large heat flux densities. Therefore, the thermal environment is a main issue in the performance and reliability of high power electronic equipment（HPEE）.After a discussion on the present cooling techniques of power electronic device conducted, it is concluded that the full-closed de-ion water cooling is the best cooling technology since it can allow highest power dissipations, which covers more than foreseen needs for HPEE. In addition, it may provide the more advantages in water saving and de-pollution, and is most suitable for a water scarcity country like China.

Keywords：high power electronic equipment; cooling technologyｈ;full-closed de-ion water-cooling

中图分类号：ＴＭ４６文献标识码：Ｂ文章编号：1006-9186(2002)04-0048-05

０概述

随着灵活交流输电（FACTS）技术应用的日益广泛，电力电子装置的紧凑型和可靠性问题越来越受到广大电力技术人员的关注。在影响电力电子装置可靠性的多种因素中，散热是至关重要的一个.大功率半导体器件工作时所产生的热量，将导致芯片温度的升高，如果没有适当的散热措施，就可能使芯片的温度超过所允许的最高结温，从而导致器件性能的恶化以致损坏。所以在电路设计中，选择适当的散热方式，并进行合理的设计，是使器件的潜力得到充分发挥，提高电路可靠性不可缺少的重要环节之一。而随着功率集成电路的发展，半导体器件的功率密度越来越高，传统的自冷式散热远不能满足要求，因此采用更为有效的散热技术就成为电力电子装置设计的一个重要任务。功率半导体器件散热设计的基本任务是，根据传热学的基本原理，为器件设计一个热阻尽可能低的热流通路，使器件发出的热量能尽快地发散出去，从而保证器件运行时，其内部的结温始终保持在允许的结温之内。这包括设备的结构设计和冷却介质的选择两方面的内容。散热器结构的选择应考虑以下因素：辅助设备的能耗、体积和重量；装置的复杂性和操作的难易程度；以及装置的可靠性、可用性和可维护性。而冷却介质的选择则应考虑电绝缘性、化学稳定性、对材料的腐蚀性、对环境的影响和易燃性，以及商业化程度。目前常用的冷却介质包括空气、油和水３种，其中对于散热效果起决定作用的传热系数（当风速为６ｍ／ｓ时）分别为35、350和3500 Ｗ／（ｍ２·Ｋ），下面分别加以介绍。

１空气冷却方式

常用的空气冷却方式包括“自冷”和“强迫风冷”两种。

１．１１．１自冷式散热器

所谓“自冷式”冷却是通过空气的自然对流及辐射作用将热量带走，其基本结构如图１所示。这种散器效率很低，但是由于它的结构简单、无噪音、维护方便，特别是没有旋转部件，所以可靠性高，非常适用于额定电流在20Ａ以下的器件或简单装置中的大电流器件。随着半导器件价格的不断降低，有些较大容量的器件也采用自冷式散热器，尤其在冲击负载的交流装置中应用更广泛。

１．２１．２风冷式散热器

风冷式散热器主要用于电流额定值在50～500A的器件。风冷式散热器的特点是散热效率高，其传热系数是自冷式散热效率的２～４倍。但采用风冷需配备风机，因而有噪声大、容易吸入灰尘、可靠性相对降低、维护困难等缺点。图２为一个１００ＭＶａｒ等级静止无功补偿器（ＳＶＣ）的完全再循环空气冷却系统，其中晶闸管使用强迫风冷，循环空气所携带的热量在蛇形管组成的热交换器中进行冷却，热交换器采用空气—乙二醇组成的冷却液带走热量，冷却后的空气在室内再次流通，形成闭路循环系统。乙二醇则通过蒸发冷却器放出热量，然后再用泵打入空气—乙二醇热交换器，再度流通。图２示出系统所需的总风量是2800ｍ３／min，由6台鼓风机供给，其中1 台为备用。采用风冷式散热器的大功率电力电子装置在我国相当广泛；但在实际应用中应注意防止过多的尘埃跑进室内。为此应采用补气装置，以保持晶闸管阀厅对外部大气有一定的正压力，同时补充进来的新鲜空气也必须是经过滤处理的清洁干燥的空气。设计中应保证主过滤器至少每小时可以将相当于阀厅总容积的的空气过滤一次。

散热器材料质量特性对散热效率有显著影响。紫铜导热系数相当于工业纯铝的２倍，在相同散热效率下，紫铜散热器的体积为铝质散热器的1/3~1/2，并且有耐盐露等优点。但由于铜的比重大，价格高（为铝材的３倍左右），一般较少应用。在风冷装置内部的冷却风速标准值为６m/s，若风速小于该值时，应根据制造单位所提供的资料选取对应于实际风速的热阻。