全浸式蒸发冷却开关电源热分析及实验
中国科学院电工研究所、中国科学院大学的研究人员温英科、阮琳，在2018年第18期《电工技术学报》上撰文指出，高效可靠的冷却技术是开关电源向高功率密度方向发展的迫切需求。为了实现开关电源的高效散热，克服传统冷却方式效率低、系统复杂、电源温升高等缺点，将全浸式蒸发冷却技术应用于开关电源冷却领域。
以一款12V/2kW开关电源为例，阐述了全浸式蒸发冷却开关电源散热原理，对电源稳态、动态温升特性进行理论分析；通过有限元仿真及实验测试对强迫风冷及全浸式蒸发冷却开关电源温升特性进行对比研究。
全浸式蒸发冷却开关电源不仅冷却结构简单，而且具有稳态温升低、温度分布均匀、无局部过热点和动态过程热应力小的优点。仿真及实验验证了理论分析的正确性，证实了全浸式蒸发冷却技术应用于开关电源冷却的可行性及技术优势。
随着开关电源向高频、小型化发展，其功率密度不断提高，电源发热问题变得不可忽视。温度是影响开关电源可靠性的重要因素之一。当器件温度高于其额定工作温度时，每升高10℃，器件可靠性下降一半，温度超过极限值将导致器件损坏，造成电源失效[1]。除了选用低功耗器件及优化拓扑减小模块发热量外，高效可靠的冷却方式成为开关电源向高功率密度方向发展的关键。
目前常用的冷却方式有三种：
1）自然对流冷却：利用空气自然对流带走热量，其冷却结构简单，无噪声、振动、磨损，可靠性高，但冷却能力有限，只适用于小功率密度的开关电源。
2）强迫风冷散热：利用风扇送风，使元件周围气流以较高速度将热量带走，其冷却效果优于自然冷却，但成本和复杂性增加，且风扇损耗使系统效率降低，还会产生噪声和振动，适用于功率密度较大，自然对流满足不了散热需求的场合。
3）强迫水冷散热：利用流动的冷却水通过发热体将热量带走；由于水的比热容及导热系数均比空气的大，其散热效果好于强迫风冷，但需附加液体泵，系统复杂，维护困难，成本高，且冷却水一旦发生泄漏必然导致开关电源损坏，为电源可靠性埋下隐患，主要适用于功率密度大且设备空间小的产品[2-6]。
鉴于空冷（自然对流、强迫风冷）散热能力有限，强迫水冷散热系统复杂、可靠性低的现状，开关电源迫切需要一种冷却能力强、安全可靠的冷却方式。与空冷、水冷依靠冷却介质吸收显热带走热量的方式截然不同，蒸发冷却技术利用高绝缘、低沸点的冷却介质受热沸腾时的汽化潜热带走热量。
目前，常用的蒸发冷却形式有全浸式、表贴式、管道内冷式以及喷淋式，并且由发热体的结构及发热特征来决定冷却方式的选取。开关电源热源具有数量多、分布离散、发热不均匀、热源几何形状复杂的特点，采用全浸式蒸发冷却将电源模块直接浸没于冷却介质中，发热器件可与冷却介质充分直接接触，冷却效果好，且系统结构简单，可靠性高，是将蒸发冷却技术应用于开关电源的首选结构形式。
本文以一台12V/2kW开关电源为例，通过理论分析、有限元仿真及实验手段对全浸式蒸发冷却开关电源热特性进行分析研究，并与强迫风冷开关电源热特性进行对比。研究结论显示全浸式蒸发冷却技术应用于开关电源冷却具有很好的技术优势。
图1 全浸式蒸发冷却开关电源主电路结构
图4 全浸式蒸发冷却开关电源温度测试平台
图5 全浸式蒸发冷却开关电源温度测试系统示意图
本文以一台12V/2kW开关电源为例，从理论分析，仿真建模及实验验证角度对全浸式蒸发冷却开关电源热特性进行研究，并与强迫风冷开关电源热特性进行对比。全浸式蒸发冷却开关电源具有器件稳态温升低，无局部过热点，稳态温度分布均匀的优点；全浸式蒸发冷却开关电源开机过程中器件温度变化率低，关机过程中无瞬间温度过冲，减小了温度变化带来的热冲击和热应力，提高了电源运行可靠性。
另外，全浸式蒸发冷却开关电源无需特殊的风道设计，在器件布局灵活性及缩小电源体积、提高电源功率密度方面有较大优势。全浸式蒸发冷却技术适应开关电源的冷却需求，在开关电源冷却领域具有良好的应用前景。