通信開(kāi)關(guān)電源冷卻方式對(duì)性能和使用壽命的影響
一、溫度對(duì)通訊開(kāi)關(guān)電源性能和壽命的影響
通訊開(kāi)關(guān)電源的主要部件是高頻開(kāi)關(guān)整流器，它是隨同功率電子學(xué)理論和技術(shù)及功率電子器件的開(kāi)展而逐步開(kāi)展成熟的。采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的整流器，功耗變得更小，溫度更低，體積和重量都有大幅度降落，整體質(zhì)量和牢靠性不時(shí)進(jìn)步。但是每當(dāng)環(huán)境溫度升高10℃時(shí)，主要功率元件的壽命減少50％。呈現(xiàn)這樣壽命疾速降落的緣由都是由于溫度的變化。由各種微觀和宏觀機(jī)械應(yīng)力集中所招致的疲倦失效,鐵磁性資料及其他零部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在交變應(yīng)力持續(xù)作用下,將萌發(fā)多品種型的微觀內(nèi)部缺陷。因而保證設(shè)備的有效散熱，是保證設(shè)備牢靠性和壽命的必要條件。
1、 工作溫度與功率電子組件的牢靠性和壽命的關(guān)系。
電源是一種電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中自身需求耗費(fèi)掉一些電能，而這些電能則被轉(zhuǎn)化為熱量釋出。電子元件工作的穩(wěn)定性與老化速度是和環(huán)境溫度息息相關(guān)的。功率電子組件是由多種半導(dǎo)體資料組成的。由于功率元件工作時(shí)的損耗是由其本身發(fā)熱來(lái)流失，所以收縮系數(shù)不同的多種資料互相聯(lián)絡(luò)的熱循環(huán)會(huì)惹起十分顯著的應(yīng)力，以至有可能招致霎時(shí)斷裂，使元件失效。若功率元件長(zhǎng)期工作在異常的溫度條件下，會(huì)引發(fā)將招致斷裂的疲倦。由于半導(dǎo)體存在熱疲倦壽命，這就請(qǐng)求其應(yīng)該工作在相對(duì)穩(wěn)定和低的溫度范圍內(nèi)。
同時(shí)快速的冷熱變化會(huì)暫時(shí)的產(chǎn)生半導(dǎo)體溫度差，從而會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力與熱沖擊。使元件接受熱――機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)溫差過(guò)大時(shí)，招致元件的不同資料局部產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。使元件過(guò)早失效。這也就請(qǐng)求功率元件應(yīng)工作在相對(duì)穩(wěn)定的工作溫度范圍內(nèi)，減少溫度的急劇變化，以消弭熱應(yīng)力沖擊的影響，保證元件長(zhǎng)期牢靠的工作。
2、工作溫度對(duì)變壓器的絕緣才能影響
變壓器的初級(jí)繞組通電后，線圈所產(chǎn)生的磁通在死心活動(dòng)，由于死心自身是導(dǎo)體，在垂直于磁力線的平面上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在死心的斷面上構(gòu)成閉合回路并產(chǎn)生電流，稱為“渦流”。這個(gè)“渦流”使變壓器的損耗增加，并使變壓器的死心發(fā)熱變壓器的溫升增加。由“渦流”所產(chǎn)生的損耗稱為“鐵損”。另外要繞制變壓器運(yùn)用的銅線，這些銅導(dǎo)線存在著電阻，電流流過(guò)時(shí)這電阻會(huì)耗費(fèi)一定的功率，這局部損耗變成熱量而耗費(fèi)，稱這種損耗為“銅損”。所以鐵損和銅損是變壓器工作產(chǎn)生溫升的主要緣由。
由于變壓器工作溫度升，必然形成線圈老化，當(dāng)其絕緣性能降落后，招致抗市電的沖擊才能削弱。這時(shí)若有雷擊或市電浪涌呈現(xiàn)時(shí)，在變壓器的初級(jí)呈現(xiàn)的高反壓會(huì)將變壓器擊穿，使電源失效，同時(shí)還有高壓串入通訊主設(shè)備，組成主設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
二、冷卻方式對(duì)電源工作溫度的影響
電源的散熱普通采用直接傳導(dǎo)和對(duì)傳播導(dǎo)二種方式，直接熱傳導(dǎo)是熱能沿物體從溫度高的一端向溫度低的一端傳送，其熱傳導(dǎo)的才能穩(wěn)定。對(duì)傳播導(dǎo)是液體或氣體經(jīng)過(guò)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使溫度趨于平均的過(guò)程。由于對(duì)傳播導(dǎo)牽扯到動(dòng)力過(guò)程，降溫比擬順?biāo)佟?/P>
將發(fā)元件裝置在金屬散熱器上，經(jīng)過(guò)擠壓熱外表，完成上下不等能量體傳送能量，可以依托大面積的散熱片輻射進(jìn)來(lái)的能量并不多。這種熱傳導(dǎo)方式稱為自然冷卻，它對(duì)熱量流失延遲時(shí)間較長(zhǎng)。換熱量Q＝KA△t（K換熱系數(shù)，A換熱面積,△t溫度差），若室內(nèi)環(huán)境溫度偏高，△t的絕對(duì)值就小，這時(shí)這種傳熱方式的散熱性能就會(huì)大大降落。
在電源中增加風(fēng)扇將能量轉(zhuǎn)換中堆積的熱量疾速排出電源之外。風(fēng)扇對(duì)散熱片的持續(xù)送風(fēng)，則能夠被視為對(duì)傳播遞能量。稱為風(fēng)扇冷卻，這種散熱方式的延遲時(shí)間短長(zhǎng)。散熱量 Q＝Km△t（K換熱系數(shù)，m換熱空氣質(zhì)量,△t溫度差）,一旦風(fēng)扇發(fā)作轉(zhuǎn)速降低、停轉(zhuǎn)，m值將疾速降低，電源中堆積的熱量將會(huì)很難流失，這就會(huì)大大增加電源內(nèi)電容、變壓器等電子元件的老化速度并影響其輸出質(zhì)量的穩(wěn)定性，最終招致元器件燒毀、設(shè)備失效。
三、 通訊電源散熱的主要辦法及優(yōu)缺陷
通訊開(kāi)關(guān)電源冷去技術(shù)的設(shè)計(jì)首先要是滿足行業(yè)各項(xiàng)技術(shù)性能請(qǐng)求。為愈加順應(yīng)通訊機(jī)房的特殊環(huán)境運(yùn)用環(huán)境，請(qǐng)求其冷卻方式對(duì)環(huán)境溫度變化順應(yīng)性強(qiáng)。目前整流器常用的冷卻方式有自然冷卻、純風(fēng)扇冷卻、自然冷卻微風(fēng)扇冷卻相分離三種。自然冷卻具有無(wú)機(jī)械毛病，牢靠性高；無(wú)空氣活動(dòng)，灰塵少，有利于散熱；無(wú)噪音等特性。純風(fēng)扇冷卻具有設(shè)備重量輕，本錢低。風(fēng)扇和自然冷卻相分離的技術(shù)具有有效減小設(shè)備體積和重量，風(fēng)扇的運(yùn)用壽命高，風(fēng)扇毛病自順應(yīng)才能強(qiáng)等特性。
1、自然冷卻
自然冷卻方式是開(kāi)關(guān)電源早期的傳統(tǒng)冷卻方式，這種方式主要是依托大的金屬散熱器來(lái)停止直接的熱傳導(dǎo)式散熱。換熱量Q＝KA△t（K換熱系數(shù)，A換熱面積,△t溫度差）。當(dāng)整流器輸出功率增大時(shí)，其功率元件的溫度會(huì)上升，△t溫度差也增加，所以當(dāng)整流器A換熱面積足夠時(shí)，其散熱是沒(méi)有時(shí)間滯后，功率元件的溫差小，其熱應(yīng)力與熱沖擊小。但這種方式的主要缺陷就是散熱片體積和重量大。變壓器的繞制為盡可能降低溫升，避免溫度的上升影響其工作性能，所以其資料選擇的裕量較大，變壓器的體積和重量也大。整流器的資料本錢高，維護(hù)改換不便當(dāng)。由于其對(duì)環(huán)境的干凈度請(qǐng)求不高，目前關(guān)于小容量通訊電源，在些小型專業(yè)通訊網(wǎng)還有局部應(yīng)用，如電力、石油、廣電、軍隊(duì)、水利、國(guó)安、公安等。
2、 風(fēng)扇冷卻
隨著風(fēng)扇制造技術(shù)的開(kāi)展，風(fēng)扇的工作穩(wěn)定性和運(yùn)用壽命有較大的進(jìn)步，其均勻無(wú)毛病時(shí)間是5萬(wàn)小時(shí)。采用風(fēng)扇散熱后能夠減去笨重的散熱器，使得整流器的體積和重量大大改善，原資料本錢也大大降低。隨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，市場(chǎng)價(jià)錢的下滑，這種技術(shù)已成為當(dāng)前的主要潮流。
這種方式的主要缺陷是風(fēng)扇的均勻無(wú)毛病時(shí)間較整流器10萬(wàn)小時(shí)時(shí)間短，若風(fēng)扇毛病后對(duì)電源的毛病率影響大。所以為保證風(fēng)扇的運(yùn)用壽命，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速是隨設(shè)備內(nèi)的溫度變化而變化的。其散熱量 Q＝Km△t（K換熱系數(shù)，m換熱空氣質(zhì)量,△t溫度差）。m換熱空氣質(zhì)量是微風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速相關(guān)，當(dāng)整流器輸出功率增大時(shí)，其功率元件的溫度會(huì)上升，而功率元件溫度的變化到整流器能將這種變化檢測(cè)到，再到增加風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速以增強(qiáng)散熱，在時(shí)間上是有很大滯后的。假如負(fù)載經(jīng)常突變，或者市電輸入動(dòng)搖大，就會(huì)形成功率元件呈現(xiàn)快速的冷熱變化，這種突變的半導(dǎo)體溫度差產(chǎn)生的熱應(yīng)力與熱沖擊，會(huì)招致元件的不同資料局部產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。使之過(guò)早失效。
3、 風(fēng)扇和自然冷卻相分離
由于環(huán)境溫度的變化和負(fù)載的變化，電源工作時(shí)的耗散熱能，采用風(fēng)扇和自然冷卻方式相分離能夠更快的將熱能分發(fā)進(jìn)來(lái)。這種方式在增加風(fēng)扇散熱的同時(shí)，能夠減少散熱器面積，使得功率元件工作在相對(duì)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)條件下，運(yùn)用壽命不會(huì)由于外部條件變換受影響。這樣不只克制純風(fēng)扇冷卻對(duì)的功率元件散熱調(diào)理滯后的缺陷，也了防止風(fēng)扇運(yùn)用壽命低影響整流器的整體牢靠性。特別在機(jī)房的環(huán)境溫度很不穩(wěn)定的狀況下，采用風(fēng)冷和自冷相分離的冷卻技術(shù)具有更好的冷卻性能。這種方式整流器的資料本錢在純風(fēng)扇冷去和自然冷卻兩種方式之間，重量低，維護(hù)便當(dāng)。
特別在采用智能風(fēng)冷和自冷技術(shù)時(shí)，能夠讓整流器在低負(fù)載工作條件下，模塊溫升小，模塊風(fēng)扇處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。在高負(fù)載工作條件下，模塊升溫。模塊升溫超越55℃。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨溫度變化線性增長(zhǎng)。風(fēng)扇毛病在位檢測(cè)，風(fēng)扇毛病后，風(fēng)扇毛病限流輸出，同時(shí)毛病報(bào)警。由于風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)度與負(fù)載大小相關(guān)，使得風(fēng)扇的運(yùn)用壽命比純風(fēng)冷時(shí)要長(zhǎng)，其牢靠性也大大進(jìn)步。
四、完畢語(yǔ)
通訊開(kāi)關(guān)電源采用風(fēng)扇和自然冷卻相分離的冷卻方式，既能在環(huán)境溫度高的狀況下，有效的降低整流器內(nèi)部的工作溫度，延長(zhǎng)器件運(yùn)用壽命，又能在環(huán)境溫度低及負(fù)載低的狀況下，整流器的風(fēng)扇降低轉(zhuǎn)速工作，延長(zhǎng)風(fēng)扇的運(yùn)用壽命。采用散熱器散熱，其器件間距及爬電間隔可相對(duì)較遠(yuǎn)，在高濕度的狀況下，，平安性能高。整流器體積較小、重量較輕，使維護(hù)工作變得輕松。
為保證通訊開(kāi)關(guān)電源的整流器的牢靠穩(wěn)定工作，減少其工作溫升是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。采用智能風(fēng)冷和自冷相分離技術(shù)。具有對(duì)環(huán)境順應(yīng)性更強(qiáng)，運(yùn)用壽命長(zhǎng)，牢靠穩(wěn)定等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
| 【上一個(gè)】 基于數(shù)字化控制的開(kāi)關(guān)電源的研究 | 【下一個(gè)】 低壓大電流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) |
| ^ 通信開(kāi)關(guān)電源冷卻方式對(duì)性能和使用壽命的影響 |