浅谈电力电子器件强迫风冷中风机的工作点

电力电子装置中相对来说工作时产生自身功耗最大的部分应该是电力电子器件：晶闸管、整流管、IGBT等。这部分自身功耗以热的形式表现，使器件自身温度升高。于是有了散热器和风机的强迫风冷措施。用流动空气把器件上的热量带走。所以说，用风机对大功率半导体器件进行强迫风冷的设计比比皆是。

风冷装置绝对离不开风机。如何科学地使用风机，提高冷却效果引起了我的关注。于是下了功夫研究了一番。搞了数十年的电，现在要去了解“风”——流动着的空气，属于空气动力学范畴的物理现象，真有点不知如何入手才好。不得不从头开始学点“空气动力学”。

先从风机样本开始。风机样本中对每种风机都列出一套工作曲线(见图一)，纵坐标是△Pt，

横坐标是单位时间空气流量V(单位是m3/h)。样本中把△Pt称作为“全压”(常称风机的最大风压)，它由“静压”和“动压”组成，即：全压=静压+动压。在空气动力学中，全压表示流动空气的总能量，他所包含的动压和静压可以互相转换，遵守“能量守恒与转换定律”。这里的风压△Pt是相对周围大气来说的，是一种相对压力，即以周围的大气压为零点起算的压力。

【图一】 风机的特性曲线

图中曲线有两种：第一种是风机工作时，△Pt与流量V关系曲线。△Pt减小时流量减少;第二种是一条从原点开始向上翘的的曲线，表示流动空气遇到前方阻力(称为“流阻”)后，流量与流阻的关系曲线。此时纵坐标为流阻△P、横坐标仍为单位时间流量V，曲线表示流量V增大，风道截面不变，相当于流速增大，会使流阻增大，。两条曲线的交点就是“风机工作点”。

在电力电子装置中，风机把空气吹向散热器，从散热片的缝隙中流过，这相当于风道截面由大变小，空气流速增加，同时会产生大于其他位置的阻力，就是散热器流阻△P，它抵消了与其相当的一部分风机风压△Pt 。与此相对应的空气流量即为此时实际风量。

此图告诉我们：

1， 流阻与风速平方成正比。风速增加，流阻增加，反过来阻力大了又会抑制风速增加，是一种负反馈。工作点是动态平衡的结果。

2， 选用风机的△Pt参数(最大风压)要适当大于预见的流阻(约1—2倍)。

3， 流动空气从风道流出进入大气除了有一定的风速外，与大气中空气无异。可以这么说其能量基本上以动压表示。

有上述两种曲线是预测未来工作时实际工作点，空气流量、流速的必要条件，也是设计的需要。第一种曲线是风机生产单位提供的。第二种曲线是在风道及散热器结构设计确定后才有可能找到，必须自行解决。没有第二种曲线即风道内散热器流阻曲线就无法找到实际工作点，无法知道未来工作时空气流量、流速，于是散热效果就无法预知。如何取得第二种曲线呢?常用的只有两种办法：计算或实际测试。

首先试图用计算得到函数关系式。

我认真地阅读了有关与强迫风冷有关的空气动力学内容。希望能找到流量与流阻的关系式，即第二种曲线的函数关系，这样可以在坐标纸上作出第二种曲线，由此定出“风机工作点”。结果这种想法未能实现。原因很简单：散热器风道虽不长，但问题复杂，低速时阻力能量损失包括“沿程损失”、“局部损失”等，各有各的计算公式，加上实际使用的散热器形状各异、外形变化万千使问题复杂化，式内很多常数、系数(有的还需用另外公式进行计算得出)如各种阻力系数、局部损失系数、当量水力直径等确定十分困难。

想了想，何不推荐用测试的办法解决呢?国标“GB-T 8446.2-2004 电力半导体器件用散热器 第2部分：热阻和流阻测试方法”提出了具体的测试方法(见图二)。此标准几乎是讲散热器热阻测试，只是在装置风道中增加了一套DJM9补偿式微压计，直接读数就可测得某风速下的流阻值(压差△P)。此标准提出的设备用于热阻和流阻两个参数的测试，现只要测流阻一个参数，设备可以大大简化，只要图三这样一个风道就可。风机和接口是固定不变的，被测散热器及前后测试探头插入部分的风道尺寸应按国标规定的尺寸安排，要按被测散热器尺寸设计。风机转速可调，可测不同风速下的流阻。L是散热器长，如设计两块散热器串联运行，则要用两块散热器样品按设计安排测试。因为设备很简单，花不了很多钱。对选用散热器比较频繁的公司有这样一台测试台是十分方便的。有人说先凭经验设计，装出设备做试验实测，有问题再改。这样做也可以，但经验告诉我，一旦大局已定要改十分麻烦。散热条件差，设备经常烧;散热条件设计过头，成本上去，批量生产不经济。

说到这里还有个问题。此设备测得的是不同风速下的流阻，而要的是不同流量下的流阻。还有测试的是一套散热器，实际设计的可能有两套或三套甚至更多套并列，风道截面相应加大，如何换算呢?回答是：纵坐标为测得的流阻值(压差△P)，横坐标用下列公式换算：

空气流量(m3/h)= 风速(m /s)× 设计风道截面积(m2)×3600

【图二】风冷散热器的流阻测试原理

【图三】风冷散热器流阻测试台外形图

介绍上面这些，用意就是想知道风机选得合适与否。知道了工作点的风速以及所选的散热器的几何尺寸就可算出该工况下的散热器热阻(见本网站“大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算公式和应用软件”)。进一步算出所用电力电子器件工作时的结温。验证设计是否合理。

坦率说，以前对空气动力学很不了解，这次下功夫看了些材料，至今也只知皮毛。文中如有错误和不妥之处希望大家指正。更希望此文是“抛砖引玉”之举，欢迎大家热烈参与讨论。关于测试设备，以前曾给别人做过设计，图纸放在柜中也是浪费。如有需要者请与网站联系可免费提供。可能设计参数会与所需有出入，故提供图纸仅供参考。

编者简介：朱英文：(1939- )，高级工程师，现任北京京仪椿树整流器有限责任公司技术顾问，中国电力电子产业网特约顾问，主要研究电力半导体器件的设计、制造、应用中的热设计和电力半导体器件主回路结构设计。曾参与专业词典、书籍的编写、翻译等工作。主要成果有：“无刷励磁发电机用旋转整流管设计和制造”，“晶闸管芯片球面磨角工艺”“大功率半导体器件用散热器风冷热阻计算方法”等