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。

１．１   １．１       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。

１．２   １．２       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。

２ 热管式散热器

热管是一种新型高效的传热元件，具有优异的传 热特性，传热效率高，沿轴向的等温特性好。由于其 热耗散效率比同质量的铜散热器大２～３个数量级，自２０世纪７０年代商业化应用以来得到各方面的重视。

热管是一个密闭封焊的蒸发冷却器件，其结构如图３所示，由密封管、吸液芯和蒸汽通道组成。其中吸液芯由多孔物质组成，或在管壳内壁开沟槽装设通道管（液相工质专用小阻力通道）；其原理是靠毛细作用使液相工质由冷凝段回流到蒸发段，并使液相工质在蒸发段沿径向均匀分布。制造时，管内抽成负压后充以适量的可以汽化的工作液体（如水、乙醇、氟利昂等），使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体，并加以密封。从轴向看，管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），中间为绝热段。工作时外部热源的热量传至蒸发段，通过热传导使工质的温度上升，进一步导致液相介质吸热蒸发。液体的饱和蒸汽压随着温度上升而升高，从而使蒸汽经蒸气通道流向低压部分，即流向温度较低的冷凝段。蒸气在该段冷凝，放出的热量通过充满工质的吸液芯和管壁的热传导，由管子的外表面传给冷源。此后冷凝液体可以在没有任何外加动力的条件下，借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到加热段继续吸热蒸发，如此循环，达到热量从一处传输到另一处的目的［１］。

由于液态介质的蒸发潜热大，同时蒸汽的流动阻力小，所以能够在温差较小的蒸发端至冷凝端间传送大量热量，亦即热管冷却装置的有效导热系数非常大，具有良好的冷却效果。此外，由于热管是一个所谓“自治”的系统，它利用蒸发和毛细现象进行介质循环，不需要借助泵等外力，所以免除了采用风机等旋转部件。运行时没有噪音，且具有很高的可靠性。因此自２０世纪６０年代以来，在包括大功率半导体器件的冷却在内的许多领域得到了应用，各大电力电子装置制造商也均对其给予了相当大的关注。比如，西门子公司就曾经在２０世纪７０ 年代尝试过利用热管冷却的平板型晶闸管，并取得了良好的效果。由于高压大功率装置的热管冷却系统还必须提供高压阀体所需的电绝缘，所以氟利昂通常成为首选的冷却介质。但由于其可能对环境造成的影响，以及价格的原因，除早期在牵引变流器中使用氟利昂外，ＡＢＢ，Ｓｉｅｍｅｎｓ，Ａｌｓｔｏｍ等大型电器制造公司并没有在ＳＶＣ和高压直流输电系统等大功率设备的制造中应用氟利昂。

３　液态冷却

液态冷却可将导热系数较之气体冷却提高２个数量级（见表 １），所以一直被公认为是处理变流器大功率损耗的有效方法。法国科学家在对航空电子设备的强迫风冷、热管冷却和液体冷却进行分析后指出［３］，对于功率密度大（比如高达６００Ｗ／ｃｍ２）的电力电子装置而言，液体冷却是最好的选择。但液体冷却系统需要利用循环泵来保证冷却液在热源和冷源之间循环，以交换热量。上述系统通常由冷却液循环泵、液－气热交换器、膨胀箱和散热器组成。

３．１   ３．１       油冷式散热器

采用油冷却及油浸绝缘技术的高压阀体，由于油的冷却性能比空气好，同时也由于将阀体安装在油箱中可以免受环境条件的影响，具有很高的绝缘性和电磁屏蔽效果，所以曾在高压大功率电力电子装置中得到相当广泛的应用。如日本东芝公司和日立公司为佐久间变频站所提供的125kV换流阀都采用了油冷方式。但由于水冷系统不论从冷却效果还是环境影响方面均具有明显的优势，所以近年来油冷系统似乎已渐渐淡出高压大功率变流器领域。

３．２　水冷式散热器

水冷式散热器的散热效率极高，其对流换热系数χ＝2000×4.18×103Ｊ／（ｈ·ｍ２·Ｋ），等于空气自然冷却换热系数的150~300倍。以水冷式散热器代替风冷式散热器，可大大提高器件的容量。但是，由于普通水的绝缘性较差，水中存在的杂质离子会在高电压下导致电腐蚀和漏电现象，因此只有在低电压下，例如装置电压低于400Ｖ（DC）或380Ｖ（AC）时，才可以采用普通水冷却。因此为使上述水冷系统进入高压大功率电力电子器件领域，必须解决冷却水的纯度和长期运行时系统的可靠性及腐蚀两大问题。

３．２．１          ３．２．１       保证冷却水的高纯度

在高电压大功率电子器件所构成的电路中，所有的发热元件，如半导体元件、大功率电阻、电感线圈等均需进行水冷，随之而来的问题就是电子器件和冷却液之间的绝缘问题。比如大功率器件通常采用双面冷却，此时器件的阳极和阴极各安装在一块没有绝缘部分的水冷散热器上，为简化结构，二者之间的水路经一根水管相串连。此时由于器件两端可能跨越几kV 的高电压，所以该电压将施加在上述水路之上。如果 此时水中含有某些可溶解的杂质，该杂质离子的存在 会引起水漏电，形成连接各元器件之间的漏电流通道。如果此电流过大，除引起不必要的发热外，严重时可能破坏电路的正常工作。对于高压设备的冷却水来说，根据系统电压，应保证电阻率不小于0.1~10.0ＭΩ·ｃｍ。对于低压的普通水冷却系统的冷却水，在25 ℃ 条件下测得的电阻率应不小于2.5ｋΩ·ｃｍ。但是过分降低水的电导率将会增加水处理的难度，从而增加水处理系统的复杂性和费用；通常大功率变流器所采用的冷却水的电导率大约为0.1~0.5μｓ／ｃｍ（对应的电阻率为2~10ＭΩ·ｃｍ）。

３．２．２          ３．２．２       关于腐蚀问题

由于冷却水不可能达到绝对纯净，除有阴阳离子存在外，处于不同电位的不同金属部分之间必然会引起漏电流和电解现象。处于阳极部分的金属会溶于水中，造成腐蚀。水中氯离子、硫酸根及氧气的存在会加速这种电解腐蚀。从引起系统腐蚀的因素来看，水中溶解离子的多少及水中含氧量的多少是关键。质量不好的离子交换树脂也会在运行中释放出一些有害的离子，加速腐蚀。多年的实践证明，只要材料选择正确，这种腐蚀很轻微，年腐蚀量仅为微米级，不会对系统的工作寿命带来太大的影响。

３．２．３          ３．２．３       影响可靠性的其他因素

影响冷却系统可靠性的其他因素还有水泵的寿命、管件及接头的质量、电器仪表的可靠性等。在要求较高的场合如FACTS装置，通常采用２台水泵，其中１台备用，在出现故障时自动切换，同时选用高可靠元件，以保证可靠运行。

３．２．４          ３．２．４       循环式水冷系统

    早期的水冷却系统多采用直流式，即冷却水流过被 冷却物体后即被直接排放，造成了水资源的大量浪费，且用过的冷却水中所含的杂质排入地下又会对水质造成污染。为节约用水从上个世纪中期开始，直流式逐渐被循环式水冷系统所取代。比如我国舟山第１台直流输电换流器采用的是敞开式循环水冷系统，即利用喷淋、鼓风等方式，把热量散发到空气中去。这种冷却方式的优点是，与直流式冷却系统相比，它能耗较小且水的消耗可降低30~50倍。但由于采用敞开式结构，带来一系列新的问题。首先由于喷淋过程中水的蒸发，作为冷却介质的水被不断浓缩，必须不时地添加化学阻垢剂，并把过分浓缩的高含盐水排掉，其耗水量占到循环总量的２％～５％，并且会对环境造成污染；二是水容易被空气污染，也容易寄生微生物，堵塞管路，需要经常投放化学药剂；三是高含盐量及含氧量的水易造成管路及设备的腐蚀，严重的可导致停产。密闭式冷却循环系统则完全解决了上述问题，由于循环水不与大气直接接触，其热交换是通过风－水或水－水换热系统完成的。这种方式比敞开式系统换热的效率高得多，再加上它几乎不消耗循环水，可以采用去离子、软化等方法对循环水进行处理，以避免 设备腐蚀，并消除了敞开式系统对环境可能造成的影响，因此得到日益广泛的应用。图４为密闭式循环水冷却系统的结构。

其中主循环泵用于循环水增压，使水沿主回路通过被冷却的电子元件将热量带走，进入风冷装置（风冷换热器），与大气换能，使循环水降温后再回到水泵。主回路中的电动三通球阀用于在控制单元的作用下，自动调整进入风冷换热器的水的比例，使水温符合要求。为保持水的高纯度，必须不断清除容器及管壁材料溶入水中的离子及空气通过水泵密闭处渗入的氧气。为此系统中增加了一个辅助的纯化支路，水经过辅助支路时，其中的阴阳离子及氧气均被吸附脱除。辅助支路的水流量大小可以调节，一般只占主回路的十几分之一就够了。由于辅助支路的脱盐及脱氧是连续不断进行的，因此，循环水的水质可以始终保持足够的纯度。为补充运行中由于泵泄漏和水电解所带来的水损失，装置中还设有自动补水系统。由于上述系统具有优异的散热性能，高可靠性，且对环境友好，所以自1983年ABB 将其应用于Gotland　HVDC系统高压阀体的冷却以来，国际知名的电器制造公司均将水冷、空气绝缘结构作为高压大功率阀的标准设计，在各种FACTS控制器和HVDC系统中广泛应用。图5a为Alstom公司1998年为印度电网有限公司（Power Grid Corporation of India Ltd）建 设的由２个500ＭＷ、205ｋＶ 换流器组成的１ＧＷ 背靠背换流站高压阀体。图５ｂ为2001年在美国纽约投运的±２００ＭＶＡ可转换式静止补偿器（ＣＳＣ）阀厅。上述装置均采用了封闭式循环水冷系统。

２０年来国内外的运行经验表明，上述装置的故障率很低。某些装置出现腐蚀和泄漏等问题，实际上是由于离子交换树脂和设备材料的选择不当所致。清华大学 1998 年首次在国内将循环水冷系统应用于静止同步补偿器，几年来一直运行正常。近年清华大学又与广州市高澜水技术公司合作，对上述系统做了进一步的改造，在莱芜钢铁有限公司35kV　SVC的冷却装置中采用了一系列新技术，先后经过了耐压（50kV）、散热效果、电导率和电磁兼容试验及72h的形式试验（见图6）。

图6 广州市高澜水技术有限公司的水冷系统主机

投运后的实践证明，上述装置完全可以满足长期稳定运行的需要，表明国内水冷技术已经达到国际同等水平，为今后生产具有独立知识产权的高压大功率SVC奠定了基础。 密闭式循环水冷却系统由于具有冷却效率高、体积小、没有污染和节约水资源等优点，作为对传统冷却方式的一个重要改进，在国际上得到了最广泛的应用。其综合效益将远远高于其他冷却方式，特别是对于我们这样一个水资源严重缺乏的国家，这种节水型冷却方式应当得到大力推广。但上述方式的一个明显缺点是需要采用去离子水以提供高压装置所需的电气绝缘，从而导致系统复杂化；目前的发展趋势是利用具有良好导热性的绝缘材料制造散热器，以便用普通水对电力电子装置进行循环冷却。总之，开发和选择新型高效散热技术对电力电子装置进行冷却，是保证装置可靠性和缩小设备体积的一个重要措施。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

参考文献：

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