蒸发冷却技术：让开关电源温度降得更快些
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。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。
日前，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。有关研究成果已发表在2018《电工技术学报》第18期上，题目为“全浸式蒸发冷却开关电源热分析及实验”。
据了解，传统的冷却方式有三种：自然对流冷却、强迫风冷散热、强迫水冷散热。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。
当前，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。
图1 全浸式蒸发冷却开关电源主电路结构
研究人员以一台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研究。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。
图2 全浸式蒸发冷却开关电源温度测试系统示意图
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。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，适应了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。
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