温度对开关电源的影响以及使其冷却的方法分析和优势 - 全文

通信开关电源是通信的基础设施，一旦出现故障就会导致非常严重的后果。我们在实践工作中的统计结果证实，造成数据丢失、硬件故障和停机的主要原因是通信开关电源系统的失效。而电源机房工作环境温度的变化对开关电源的工作稳定性能和使用寿命及其相关，因此，电源选择合适的冷却方式,可以保证通信电源的可靠使用。

一、温度对通信开关电源性能和寿命的影响

通信开关电源的主要部件是高频开关整流器，它是伴随功率电子学理论和技术及功率电子器件的发展而逐渐发展成熟的。采用软开关技术的整流器，功耗变得更小，温度更低，体积和重量都有大幅度下降，整体质量和可靠性不断提高。但是每当环境温度升高10℃时，主要功率元件的寿命减少50％。出现这样寿命迅速下降的原因都是由于温度的变化。由各种微观和宏观机械应力集中所导致的疲劳失效,铁磁性材料及其他零部件运行时在交变应力持续作用下,将萌生多种类型的微观内部缺陷。因此保证设备的有效散热，是保证设备可靠性和寿命的必要条件。

1、工作温度与功率电子组件的可靠性和寿命的关系

电源是一种电能转换设备，在转换过程中本身需要消耗掉一些电能，而这些电能则被转化为热量释出。电子元件工作的稳定性与老化速度是和环境温度息息相关的。功率电子组件是由多种半导体材料组成的。由于功率元件工作时的损耗是由其自身发热来散失，所以膨胀系数不同的多种材料相互联系的热循环会引起非常显著的应力，甚至有可能导致瞬间断裂，使元件失效。若功率元件长期工作在异常的温度条件下，会引发将导致断裂的疲劳。由于半导体存在热疲劳寿命，这就要求其应该工作在相对稳定和低的温度范围内。

同时快速的冷热变化会暂时的产生半导体温度差，从而会产生热应力与热冲击。使元件承受热――机械应力，当温差过大时，导致元件的不同材料部分产生应力裂纹。使元件过早失效。这也就要求功率元件应工作在相对稳定的工作温度范围内，减少温度的急剧变化，以消除热应力冲击的影响，保证元件长期可靠的工作。

2、工作温度对变压器的绝缘能力影响

变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁心流动，由于铁心本身是导体，在垂直于磁力线的平面上会产生感应电势，在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流，称为“涡流”。这个“涡流”使变压器的损耗增加，并使变压器的铁心发热变压器的温升增加。由“涡流”所产生的损耗称为“铁损”。另外要绕制变压器使用的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗变成热量而消耗，称这种损耗为“铜损”。所以铁损和铜损是变压器工作产生温升的主要原因。

由于变压器工作温度升，必然造成线圈老化，当其绝缘性能下降后，导致抗市电的冲击能力减弱。这时若有雷击或市电浪涌出现时，在变压器的初级出现的高反压会将变压器击穿，使电源失效，同时还有高压串入通信主设备，组成主设备损坏的危险。

二、冷却方式对电源工作温度的影响

电源的散热一般采用直接传导和对流传导二种方式，直接热传导是热能沿物体从温度高的一端向温度低的一端传递，其热传导的能力稳定。对流传导是液体或气体通过回转运动，使温度趋于均匀的过程。由于对流传导牵扯到动力过程，降温比较顺速。

将发元件安装在金属散热器上，通过挤压热表面，实现高低不等能量体传递能量，能够依靠大面积的散热片辐射出去的能量并不多。这种热传导方式称为自然冷却，它对热量散失延迟时间较长。换热量Q＝KA△t（K换热系数，A换热面积,△t温度差），若室内环境温度偏高，△t的绝对值就小，这时这种传热方式的散热性能就会大大下降。

在电源中增加风扇将能量转换中堆积的热量迅速排出电源之外。风扇对散热片的持续送风，则可以被视为对流传递能量。称为风扇冷却，这种散热方式的延迟时间短长。散热量Q＝Km△t（K换热系数，m换热空气质量,△t温度差）,一旦风扇发生转速降低、停转，m值将迅速降低，电源中堆积的热量将会很难散失，这就会大大增加电源内电容、变压器等电子元件的老化速度并影响其输出质量的稳定性，最终导致元器件烧毁、设备失效。

三、通信电源散热的主要方法及优缺点

通信开关电源冷去技术的设计首先要是满足行业各项技术性能要求。为更加适应通信机房的特殊环境使用环境，要求其冷却方式对环境温度变化适应性强。目前整流器常用的冷却方式有自然冷却、纯风扇冷却、自然冷却和风扇冷却相结合三种。自然冷却具有无机械故障，可靠性高；无空气流动，灰尘少，有利于散热；无噪音等特点。纯风扇冷却具有设备重量轻，成本低。风扇和自然冷却相结合的技术具有有效减小设备体积和重量，风扇的使用寿命高，风扇故障自适应能力强等特点。

1、自然冷却

自然冷却方式是开关电源早期的传统冷却方式，这种方式主要是依靠大的金属散热器来进行直接的热传导式散热。换热量Q＝KA△t（K换热系数，A换热面积,△t温度差）。当整流器输出功率增大时，其功率元件的温度会上升，△t温度差也增加，所以当整流器A换热面积足够时，其散热是没有时间滞后，功率元件的温差小，其热应力与热冲击小。但这种方式的主要缺点就是散热片体积和重量大。变压器的绕制为尽可能降低温升，防止温度的上升影响其工作性能，所以其材料选择的裕量较大，变压器的体积和重量也大。整流器的材料成本高，维护更换不方便。由于其对环境的洁净度要求不高，目前对于小容量通信电源，在些小型专业通信网还有部分应用，如电力、石油、广电、军队、水利、国安、公安等。

2、风扇冷却

随着风扇制造技术的发展，风扇的工作稳定性和使用寿命有较大的进步，其平均无故障时间是5万小时。采用风扇散热后可以减去笨重的散热器，使得整流器的体积和重量大大改善，原材料成本也大大降低。随市场竞争的加剧，市场价格的下滑，这种技术已成为当前的主要潮流。

这种方式的主要缺点是风扇的平均无故障时间较整流器10万小时时间短，若风扇故障后对电源的故障率影响大。所以为保证风扇的使用寿命，风扇的转速是随设备内的温度变化而变化的。其散热量Q＝Km△t（K换热系数，m换热空气质量,△t温度差）。m换热空气质量是和风扇的转速相关，当整流器输出功率增大时，其功率元件的温度会上升，而功率元件温度的变化到整流器能将这种变化检测到，再到增加风扇的转速以加强散热，在时间上是有很大滞后的。如果负载经常突变，或者市电输入波动大，就会造成功率元件出现快速的冷热变化，这种突变的半导体温度差产生的热应力与热冲击，会导致元件的不同材料部分产生应力裂纹。使之过早失效。

3、风扇和自然冷却相结合

由于环境温度的变化和负载的变化，电源工作时的耗散热能，采用风扇和自然冷却方式相结合可以更快的将热能散发出去。这种方式在增加风扇散热的同时，可以减少散热器面积，使得功率元件工作在相对稳定的温度场条件下，使用寿命不会因为外部条件变换受影响。这样不仅克服纯风扇冷却对的功率元件散热调节滞后的缺点，也了避免风扇使用寿命低影响整流器的整体可靠性。尤其在机房的环境温度很不稳定的情况下，采用风冷和自冷相结合的冷却技术具有更好的冷却性能。这种方式整流器的材料成本在纯风扇冷去和自然冷却两种方式之间，重量低，维护方便。

尤其在采用智能风冷和自冷技术时，可以让整流器在低负载工作条件下，模块温升小，模块风扇处于低速运转状态。在高负载工作条件下，模块升温。模块升温超过55℃。风扇转速随温度变化线性增长。风扇故障在位检测，风扇故障后，风扇故障限流输出，同时故障报警。由于风扇运转数度与负载大小相关，使得风扇的使用寿命比纯风冷时要长，其可靠性也大大提高。

通信开关电源采用风扇和自然冷却相结合的冷却方式，既能在环境温度高的情况下，有效的降低整流器内部的工作温度，延长器件使用寿命，又能在环境温度低及负载低的情况下，整流器的风扇降低转速工作，延长风扇的使用寿命。采用散热器散热，其器件间距及爬电距离可相对较远，在高湿度的情况下，，安全性能高。整流器体积较小、重量较轻，使维护工作变得轻松。

为保证通信开关电源的整流器的可靠稳定工作，减少其工作温升是一项关键技术。采用智能风冷和自冷相结合技术。具有对环境适应性更强，使用寿命长，可靠稳定等技术优势。