通信開關(guān)電源冷卻方式對(duì)性能和使用壽命的影響

摘要：降低通信開關(guān)電源的溫升是提高使用壽命的重要途徑，整流器的冷卻方式是保證可靠穩(wěn)定工作的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。自然冷卻和風(fēng)扇冷卻各具優(yōu)缺點(diǎn)，將二者有機(jī)結(jié)合，會(huì)使得電源具有對(duì)環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，壽命長，成本低、維護(hù)方便等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：通信開關(guān)電源  整流器  冷卻方式   使用壽命

前言

　　通信開關(guān)電源是通信的基礎(chǔ)設(shè)施，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。我們?cè)趯?shí)踐工作中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果證實(shí)，造成數(shù)據(jù)丟失、硬件故障和停機(jī)的主要原因是通信開關(guān)電源系統(tǒng)的失效。而電源機(jī)房工作環(huán)境溫度的變化對(duì)開關(guān)電源的工作穩(wěn)定性能和使用壽命及其相關(guān)，因此，電源選擇合適的冷卻方式,可以保證通信電源的可靠使用。

一、溫度對(duì)通信開關(guān)電源性能和壽命的影響

　　通信開關(guān)電源的主要部件是高頻開關(guān)整流器，它是伴隨功率電子學(xué)理論和技術(shù)及功率電子器件的發(fā)展而逐漸發(fā)展成熟的。采用軟開關(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下降，整體質(zhì)量和可靠性不斷提高。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％。出現(xiàn)這樣壽命迅速下降的原因都是由于溫度的變化。由各種微觀和宏觀機(jī)械應(yīng)力集中所導(dǎo)致的疲勞失效,鐵磁性材料及其他零部件運(yùn)行時(shí)在交變應(yīng)力持續(xù)作用下,將萌生多種類型的微觀內(nèi)部缺陷。因此保證設(shè)備的有效散熱，是保證設(shè)備可靠性和壽命的必要條件。

1、 工作溫度與功率電子組件的可靠性和壽命的關(guān)系。

　　電源是一種電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，在轉(zhuǎn)換過程中本身需要消耗掉一些電能，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)體材料組成的。由于功率元件工作時(shí)的損耗是由其自身發(fā)熱來散失，所以膨脹系數(shù)不同的多種材料相互聯(lián)系的熱循環(huán)會(huì)引起非常顯著的應(yīng)力，甚至有可能導(dǎo)致瞬間斷裂，使元件失效。若功率元件長期工作在異常的溫度條件下，會(huì)引發(fā)將導(dǎo)致斷裂的疲勞。由于半導(dǎo)體存在熱疲勞壽命，這就要求其應(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。使元件承受熱――機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)溫差過大時(shí)，導(dǎo)致元件的不同材料部分產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。使元件過早失效。這也就要求功率元件應(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，以消除熱應(yīng)力沖擊的影響，保證元件長期可靠的工作。

2、工作溫度對(duì)變壓器的絕緣能力影響

　　變壓器的初級(jí)繞組通電后，線圈所產(chǎn)生的磁通在鐵心流動(dòng)，由于鐵心本身是導(dǎo)體，在垂直于磁力線的平面上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在鐵心的斷面上形成閉合回路并產(chǎn)生電流，稱為“渦流”。這個(gè)“渦流”使變壓器的損耗增加，并使變壓器的鐵心發(fā)熱變壓器的溫升增加。由“渦流”所產(chǎn)生的損耗稱為“鐵損”。另外要繞制變壓器使用的銅線，這些銅導(dǎo)線存在著電阻，電流流過時(shí)這電阻會(huì)消耗一定的功率，這部分損耗變成熱量而消耗，稱這種損耗為“銅損”。所以鐵損和銅損是變壓器工作產(chǎn)生溫升的主要原因。{{分頁}}

　　由于變壓器工作溫度升，必然造成線圈老化，當(dāng)其絕緣性能下降后，導(dǎo)致抗市電的沖擊能力減弱。這時(shí)若有雷擊或市電浪涌出現(xiàn)時(shí)，在變壓器的初級(jí)出現(xiàn)的高反壓會(huì)將變壓器擊穿，使電源失效，同時(shí)還有高壓串入通信主設(shè)備，組成主設(shè)備損壞的危險(xiǎn)。

二、冷卻方式對(duì)電源工作溫度的影響

　　電源的散熱一般采用直接傳導(dǎo)和對(duì)流傳導(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遞，其熱傳導(dǎo)的能力穩(wěn)定。對(duì)流傳導(dǎo)是液體或氣體通過回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使溫度趨于均勻的過程。由于對(duì)流傳導(dǎo)牽扯到動(dòng)力過程，降溫比較順?biāo)佟?/P>

　　將發(fā)元件安裝在金屬散熱器上，通過擠壓熱表面，實(shí)現(xiàn)高低不等能量體傳遞能量，能夠依靠大面積的散熱片輻射出去的能量并不多。這種熱傳導(dǎo)方式稱為自然冷卻，它對(duì)熱量散失延遲時(shí)間較長。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)大大下降。

　　在電源中增加風(fēng)扇將能量轉(zhuǎn)換中堆積的熱量迅速排出電源之外。風(fēng)扇對(duì)散熱片的持續(xù)送風(fēng)，則可以被視為對(duì)流傳遞能量。稱為風(fēng)扇冷卻，這種散熱方式的延遲時(shí)間短長。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)生轉(zhuǎn)速降低、停轉(zhuǎn)，m值將迅速降低，電源中堆積的熱量將會(huì)很難散失，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，最終導(dǎo)致元器件燒毀、設(shè)備失效。

三、 通信電源散熱的主要方法及優(yōu)缺點(diǎn)

　　通信開關(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)性能要求。為更加適應(yīng)通信機(jī)房的特殊環(huán)境使用環(huán)境，要求其冷卻方式對(duì)環(huán)境溫度變化適應(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、自然冷卻和風(fēng)扇冷卻相結(jié)合三種。自然冷卻具有無機(jī)械故障，可靠性高；無空氣流動(dòng)，灰塵少，有利于散熱；無噪音等特點(diǎn)。純風(fēng)扇冷卻具有設(shè)備重量輕，成本低。風(fēng)扇和自然冷卻相結(jié)合的技術(shù)具有有效減小設(shè)備體積和重量，風(fēng)扇的使用壽命高，風(fēng)扇故障自適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1、自然冷卻

　　自然冷卻方式是開關(guān)電源早期的傳統(tǒng)冷卻方式，這種方式主要是依靠大的金屬散熱器來進(jìn)行直接的熱傳導(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點(diǎn)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，防止溫度的上升影響其工作性能，所以其材料選擇的裕量較大，變壓器的體積和重量也大。整流器的材料成本高，維護(hù)更換不方便。由于其對(duì)環(huán)境的潔凈度要求不高，目前對(duì)于小容量通信電源，在些小型專業(yè)通信網(wǎng)還有部分應(yīng)用，如電力、石油、廣電、軍隊(duì)、水利、國安、公安等。

2、 風(fēng)扇冷卻

　　隨著風(fēng)扇制造技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)扇的工作穩(wěn)定性和使用壽命有較大的進(jìn)步，其平均無故障時(shí)間是5萬小時(shí)。采用風(fēng)扇散熱后可以減去笨重的散熱器，使得整流器的體積和重量大大改善，原材料成本也大大降低。隨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，市場(chǎng)價(jià)格的下滑，這種技術(shù)已成為當(dāng)前的主要潮流。{{分頁}}

　　這種方式的主要缺點(diǎn)是風(fēng)扇的平均無故障時(shí)間較整流器10萬小時(shí)時(shí)間短，若風(fēng)扇故障后對(duì)電源的故障率影響大。所以為保證風(fēng)扇的使用壽命，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)量是和風(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)速以加強(qiáng)散熱，在時(shí)間上是有很大滯后的。如果負(fù)載經(jīng)常突變，或者市電輸入波動(dòng)大，就會(huì)造成功率元件出現(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)導(dǎo)致元件的不同材料部分產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。使之過早失效。

3、 風(fēng)扇和自然冷卻相結(jié)合

　　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結(jié)合可以更快的將熱能散發(fā)出去。這種方式在增加風(fēng)扇散熱的同時(shí)，可以減少散熱器面積，使得功率元件工作在相對(duì)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)條件下，使用壽命不會(huì)因?yàn)橥獠織l件變換受影響。這樣不僅克服純風(fēng)扇冷卻對(duì)的功率元件散熱調(diào)節(jié)滯后的缺點(diǎn)，也了避免風(fēng)扇使用壽命低影響整流器的整體可靠性。尤其在機(jī)房的環(huán)境溫度很不穩(wěn)定的情況下，采用風(fēng)冷和自冷相結(jié)合的冷卻技術(shù)具有更好的冷卻性能。這種方式整流器的材料成本在純風(fēng)扇冷去和自然冷卻兩種方式之間，重量低，維護(hù)方便。

　　尤其在采用智能風(fēng)冷和自冷技術(shù)時(shí)，可以讓整流器在低負(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。模塊升溫超過55℃。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨溫度變化線性增長。風(fēng)扇故障在位檢測(cè)，風(fēng)扇故障后，風(fēng)扇故障限流輸出，同時(shí)故障報(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)扇的使用壽命比純風(fēng)冷時(shí)要長，其可靠性也大大提高。

四、結(jié)束語

　　通信開關(guān)電源采用風(fēng)扇和自然冷卻相結(jié)合的冷卻方式，既能在環(huán)境溫度高的情況下，有效的降低整流器內(nèi)部的工作溫度，延長器件使用壽命，又能在環(huán)境溫度低及負(fù)載低的情況下，整流器的風(fēng)扇降低轉(zhuǎn)速工作，延長風(fēng)扇的使用壽命。采用散熱器散熱，其器件間距及爬電距離可相對(duì)較遠(yuǎn)，在高濕度的情況下，，安全性能高。整流器體積較小、重量較輕，使維護(hù)工作變得輕松。

　　為保證通信開關(guān)電源的整流器的可靠穩(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)冷和自冷相結(jié)合技術(shù)。具有對(duì)環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，使用壽命長，可靠穩(wěn)定等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。