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隨著開(kāi)關(guān)電源向高頻、小型化發(fā)展，其功率密度不斷提高，電源發(fā)熱問(wèn)題變得不可忽視。溫度是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的重要因素之一。當(dāng)器件溫度高于其額定工作溫度時(shí)，每升高10℃，器件可靠性下降一半，溫度超過(guò)極限值將導(dǎo)致器件損壞，造成電源失效。除了選用低功耗器件及優(yōu)化拓?fù)錅p小模塊發(fā)熱量外，高效可靠的冷卻方式成為開(kāi)關(guān)電源向高功率密度方向發(fā)展的關(guān)鍵。

日前，中國(guó)科學(xué)院電工研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的研究人員溫英科、阮琳指出，高效可靠的冷卻技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源向高功率密度方向發(fā)展的迫切需求。為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的高效散熱，克服傳統(tǒng)冷卻方式效率低、系統(tǒng)復(fù)雜、電源溫升高等缺點(diǎn)，將全浸式蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源冷卻領(lǐng)域。有關(guān)研究成果已發(fā)表在2018《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》第18期上，題目為“全浸式蒸發(fā)冷卻開(kāi)關(guān)電源熱分析及實(shí)驗(yàn)”。

據(jù)了解，傳統(tǒng)的冷卻方式有三種：自然對(duì)流冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱、強(qiáng)迫水冷散熱。鑒于空冷（自然對(duì)流、強(qiáng)迫風(fēng)冷）散熱能力有限，強(qiáng)迫水冷散熱系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低的現(xiàn)狀，開(kāi)關(guān)電源迫切需要一種冷卻能力強(qiáng)、安全可靠的冷卻方式。與空冷、水冷依靠冷卻介質(zhì)帶走熱量的方式截然不同，蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用高絕緣、低沸點(diǎn)的冷卻介質(zhì)受熱沸騰時(shí)的汽化潛熱帶走熱量。

當(dāng)前，常用的蒸發(fā)冷卻形式有全浸式、表貼式、管道內(nèi)冷式以及噴淋式，并且由發(fā)熱體的結(jié)構(gòu)及發(fā)熱特征來(lái)決定冷卻方式的選取。開(kāi)關(guān)電源熱源具有數(shù)量多、分布離散、發(fā)熱不均勻、熱源幾何形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，采用全浸式蒸發(fā)冷卻將電源模塊直接浸沒(méi)于冷卻介質(zhì)中，發(fā)熱器件可與冷卻介質(zhì)充分直接接觸，冷卻效果好，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，是將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源的首選結(jié)構(gòu)形式。

圖1 全浸式蒸發(fā)冷卻開(kāi)關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)

研究人員以一臺(tái)12V/2kW開(kāi)關(guān)電源為例，從理論分析、仿真建模及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證角度對(duì)全浸式蒸發(fā)冷卻開(kāi)關(guān)電源熱特性進(jìn)行研究，并與強(qiáng)迫風(fēng)冷開(kāi)關(guān)電源熱特性進(jìn)行對(duì)比研究。仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性，證實(shí)了全浸式蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源冷卻的可行性及技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖2 全浸式蒸發(fā)冷卻開(kāi)關(guān)電源溫度測(cè)試系統(tǒng)示意圖

全浸式蒸發(fā)冷卻開(kāi)關(guān)電源不僅冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有穩(wěn)態(tài)溫升低、溫度分布均勻、無(wú)局部過(guò)熱點(diǎn)和動(dòng)態(tài)過(guò)程熱應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)。另外，全浸式蒸發(fā)冷卻開(kāi)關(guān)電源無(wú)需特殊的風(fēng)道設(shè)計(jì)，在器件布局靈活性及縮小電源體積、提高電源功率密度方面有較大優(yōu)勢(shì)。

全浸式蒸發(fā)冷卻開(kāi)關(guān)電源開(kāi)機(jī)過(guò)程中器件溫度變化率低，關(guān)機(jī)過(guò)程中無(wú)瞬間溫度過(guò)沖，減小了溫度變化帶來(lái)的熱沖擊和熱應(yīng)力，提高了電源運(yùn)行可靠性，適應(yīng)了開(kāi)關(guān)電源的冷卻需求，在開(kāi)關(guān)電源冷卻領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。