高溫條件下降低變頻機主板溫升的研究與分析

姚新祥 熊碩 徐興東

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

隨著全球變暖的趨勢以及節(jié)能要求的不斷提升，各個國家和地區(qū)的能效體系開始逐步推行季節(jié)能效比，因此變頻空調(diào)器在市場上的銷售占比越來越大。為了確保變頻空調(diào)器主板的可靠性，通常根據(jù)主板上整流橋、IGBT、IPM模塊等元器件的溫升限值在程序上設(shè)置溫度保護點，一旦檢測到主板溫升達到限定值，程序自動控制壓縮機降低運行頻率以降低主板及其元器件的溫升。但是在室外高溫環(huán)境下，如果壓縮機頻率降低幅度較大，勢必影響空調(diào)器實際使用的舒適性，降低變頻機的使用體驗和產(chǎn)品品質(zhì)。故有必要對室外高溫條件下如何降低主板的溫升進行研究和分析，在確保主板可靠性的前提下，滿足消費者對空調(diào)器的舒適性的要求。本文對影響元器件溫升的因素進行分析，從發(fā)熱和散熱兩個角度出發(fā)，相應(yīng)提出加大散熱的設(shè)計方案及優(yōu)化元器件選型的策略，切實可行的解決了主板的溫升問題。在確保主板可靠性的前提下，提高了空調(diào)器的性能。

1 元器件溫升產(chǎn)生的原因及對整機性能的影響

1.1 元器件溫升產(chǎn)生的原因分析

變頻空調(diào)器主板上通常使用的功率器件有整流橋、功率二極管、IGBT、IPM、電容、電感等[1]。這些元器件在工作的過程中存在功率損耗，會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。當(dāng)工作電流和室外環(huán)境溫度不變時，功率器件的發(fā)熱和散熱狀態(tài)逐步達到平衡，元器件表面溫度逐漸升高直至穩(wěn)定，此時元器件的表面溫度與環(huán)境溫度的差值稱為元器件的溫升。元器件的溫升直接與其可靠性息息相關(guān)，器件結(jié)溫達到極限后甚至還會導(dǎo)致燒毀。所以在綜合元器件本身溫度限值、產(chǎn)品使用壽命，以及制造廠家生產(chǎn)工藝導(dǎo)致的偏差等因素后，空調(diào)器在控制程序上通常對主板上相關(guān)元器件的溫度保護限值進行控制。表1是某品牌變頻空調(diào)器主控程序中主要元器件的溫度保護限值。

表1 變頻機主板使用的元器件溫度限值

1.2 高溫條件下元器件溫升過高對整機性能的影響

在高溫條件下，建筑熱負(fù)荷大，需要空調(diào)器提供更多的制冷量來降低室內(nèi)環(huán)境溫度。但是由于室外高溫，所以空調(diào)室外換熱器與環(huán)境之間的換熱溫差變小，換熱效率變差，壓縮機頻率不變時制冷量降低。為了滿足高溫下制冷量的需求，一般需要提高變頻壓縮機的頻率來加大制冷劑的質(zhì)量流量，以此來提高制冷量。

同時室外高溫時，空調(diào)器電流變大且主板元器件的散熱條件變差，元器件的溫升會相應(yīng)提高[2]。如果溫升過高而達到限制頻率上升的保護點時，主控程序?qū)⑾拗茐嚎s機頻率不再上升，維持現(xiàn)狀。如果壓縮機頻率在維持狀態(tài)下，元器件溫升繼續(xù)上升達到降頻保護點時，主控程序控制壓縮機頻率下降，以此來降低空調(diào)器的功率和電流，達到降低元器件溫升的目的。但此時壓縮機運行頻率因被限頻或降頻而不能提高，導(dǎo)致空調(diào)器的制冷量不足，無法使室內(nèi)環(huán)境溫度快速降低，因此影響了用戶的體驗。

以某品牌一款36K空調(diào)器為例，在相同的測試工況條件下，對溫升改善前后的性能進行對比測試，測試結(jié)果見表2。從測試數(shù)據(jù)來看：溫升改善前由于觸發(fā)溫度降頻保護點，壓縮機頻率降低到46 Hz后穩(wěn)定運行，而溫升改善后壓縮機頻率可以提高到60 Hz，這樣空調(diào)器的制冷量較之前得到大幅提升，有效改善了空調(diào)器在高溫條件下的舒適性。故研究高溫條件下元器件溫升的改善措施對提高空調(diào)器的可靠性和舒適性都有較大的意義。

表2 變頻機改善元器件溫升前后性能對比數(shù)據(jù)

2 強化換熱降低元器件溫升的方案

元器件的熱阻主要由內(nèi)熱阻和外熱阻兩部分組成[3]，內(nèi)熱阻的大小主要取決于元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，故對于選定的元器件來說相同流通電流的情況下內(nèi)熱阻變化不大。另外，根據(jù)元器件的特性，內(nèi)熱阻相對外熱阻來說一般都比較小。以某款I(lǐng)PM模塊為例，對模塊表面和內(nèi)部分別進行布點測試：當(dāng)模塊表面溫升達到95℃時，模塊表面與模塊內(nèi)部的溫差僅相差10℃以內(nèi)，據(jù)此認(rèn)為在解決元器件溫升問題時，內(nèi)熱阻不是考慮的重點，主要著眼通過降低外熱阻來解決。

元器件的外熱阻主要由其表面的散熱好壞來決定。散熱方式主要有元器件直接把熱量傳導(dǎo)給散熱器、散熱器和元器件對空氣的熱輻射，以及外機進風(fēng)與散熱器的對流換熱三種方式。對于空調(diào)器而言，元器件與散熱器緊密貼合，且中間的縫隙均勻涂覆散熱膏，熱傳導(dǎo)效率較高，能夠改善的空間較小。已知，輻射換熱效率又較低，所以降低外熱阻主要依靠強化對流換熱的方式。

根據(jù)牛頓冷卻定律[4]：

式中：Φ為元器件表面的對流換熱量（單位為W）；A為元器件的散熱表面積（單位為m2）；h為元器件表面的對流換熱系數(shù)（單位為W/m2K）；T2為元器件的表面溫度（單位為K）；T1為環(huán)境溫度（單位為K）。

對于同一環(huán)境溫度以及選定的元器件和散熱器，散熱表面積A和T1為定值。對流換熱量的大小取決于對流換熱系數(shù)，而對流換熱系數(shù)又由流經(jīng)散熱器表面的風(fēng)速和風(fēng)量決定。

對上文提到的36K機型的空間布局進行分析：在空調(diào)器主板橫放時，散熱器在外機風(fēng)場的上部位置。對其局部做風(fēng)場仿真分析發(fā)現(xiàn)，流經(jīng)散熱器的風(fēng)被導(dǎo)流圈和前面板遮擋，導(dǎo)致風(fēng)道被阻，風(fēng)速較低，散熱效果較差（如圖1所示）。通過布局調(diào)整，將空調(diào)器主板的放置方向由橫放改為豎直放置（如圖2所示），這樣散熱器的位置調(diào)整到風(fēng)場中部。從風(fēng)場仿真分析的結(jié)果來看：流經(jīng)散熱器表面的風(fēng)道沒有阻擋，風(fēng)速明顯提升。對散熱器的表面風(fēng)速進行實際測試，風(fēng)速由1.6 m/s提高到4.3 m/s，散熱效果明顯改善。對主板上各元器件進行布點測試，溫升對比數(shù)據(jù)如表3所示。

圖1 主板橫放時散熱器在風(fēng)場中的位置及風(fēng)場分析

圖2 主板豎放時散熱器在風(fēng)場中的位置及風(fēng)場分析

表3 主板不同放置方式條件下功率器件表面溫度對比數(shù)據(jù)

從上文試驗對比數(shù)據(jù)來看，流經(jīng)散熱器表面的風(fēng)速及風(fēng)量提升后，元器件表面的對流換熱系數(shù)提升，對流換熱量大幅提高，各元器件的表面溫升均有所下降。其中整流橋溫升降低16℃以上，二級管、IGBT、IPM模塊溫升降低10℃以上，電感溫升降低5℃左右。

3 優(yōu)化元器件選型降低溫升

對于空調(diào)器使用的功率器件來說，工作時所耗散的功率要通過發(fā)熱形式耗散出去[5]。若器件的散熱能力有限，則功率的耗散就會造成器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及結(jié)溫升高，使得器件可靠性降低，無法穩(wěn)定可靠工作。在實際應(yīng)用中，除了對這些器件使用散熱器以及強化換熱來控制其工作溫升，還可以在確保整機的性能和壓縮機運行頻率一致，不降低整機電流的前提下通過元器件選型來解決。以溫升最高的整流橋為例進行分析，整流橋一般采用的是工頻整流，所以開關(guān)損耗相對于導(dǎo)通損耗而言相對較小，主要考慮導(dǎo)通損耗即可。故整流橋的功率損耗計算公式可以簡化為：

式中：P為整流橋的功率損耗（單位為W）；VF為元器件的正向通導(dǎo)電壓（單位為V）；I為正向通導(dǎo)電流（單位為A)。

當(dāng)正向通導(dǎo)電流一致時，不同規(guī)格的整流橋由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，對應(yīng)的通導(dǎo)電壓不同，這就導(dǎo)致了器件的功率損耗有差異。

根據(jù)圖3所示25 A整流橋和50 A整流橋正向?qū)妷号c電流關(guān)系圖可知，當(dāng)正向通導(dǎo)電流一致時，25 A整流橋的正向?qū)妷罕?0 A整流橋要大，故25 A整流橋的功率損耗更大，溫升更高。在某款30K空調(diào)器上分別采用兩種規(guī)格整流橋進行對比測試，實驗室設(shè)置為高溫48℃工況，調(diào)整壓縮機運行頻率到空調(diào)器標(biāo)稱功率基本一致的情況下，測試發(fā)現(xiàn)50 A整流橋比25 A整流橋的溫度低8.5℃，而其他性能指標(biāo)不變，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表4所示。試驗結(jié)果與理論分析的結(jié)論一致。

表4 同一機型不同規(guī)格整流橋表面溫度對比數(shù)據(jù)

圖3 兩種規(guī)格整流橋正向?qū)妷号c電流關(guān)系圖

4 結(jié)論

室外高溫條件下變頻空調(diào)器主板上元器件的溫升高低不僅對空調(diào)器可靠性有著至關(guān)重要的影響，而且會直接影響消費者對變頻空調(diào)產(chǎn)品的舒適度體驗，所以對于變頻空調(diào)器來說，元器件的溫升是必須要重點關(guān)注和研究的問題。本文從元器件溫升產(chǎn)生的原因進行分析，從強化換熱及優(yōu)化元器件選型兩個方面進行了詳細(xì)分析，對降低元器件溫升提出了有效的解決措施，并根據(jù)理論分析的結(jié)果進行試驗驗證，得出如下結(jié)論：

（1）高溫條件下元器件溫升過高將會導(dǎo)致變頻機的運行頻率降低，從而降低整機的制冷量。

（2）通過增大散熱器表面積和表面風(fēng)速等強化換熱手段可以有效降低元器件的溫升。

（3）通過優(yōu)化功率器件的選型，在不影響其他性能指標(biāo)的前提下采用更大規(guī)格的元器件可以降低功率損耗，從源頭上降低發(fā)熱量，進而降低溫升。