高頻開關電源柜散熱優化研究

郭德孺 朱 凌

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高頻開關電源柜散熱優化研究

郭德孺 朱 凌

廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516000

隨著惠州電力通信中心機房內新設備不斷投運，直流系統負載日漸提高，高頻開關電源的發熱量也隨之提高，原有的機柜冷卻性能已無法滿足實際的散熱需求。為避免應工作環境長期溫度較高導致原件老化引發故障，在對高頻整流機柜的散熱方式、氣流流動特點研究的基礎上，制定方案并進行了實驗性改造，通過前后數據對比，證明改造取得良好效果，能提高送冷過程效率，實現制冷量的有效利用。

高頻開關電源；機柜；散熱

1 概述

1.1 機柜散熱技術簡介

機柜的散熱分為主動式和被動式散熱兩種。常見的主動式散熱方式包括風冷、液冷、半導體制冷等。其中液冷、半導體制冷裝置價格偏高且安裝復雜，應用較少。在機柜散熱中，風冷方式價格低廉、安裝方面，是最常見的散熱方式,其基本原理是通過使用風扇、管道等加大與引導空氣流動的速度和方向，達到快速帶走熱量的效果[1]。

1.2 高頻開關電源簡介

高頻開關電源主要由輸入濾波器、輸入整流器、高頻轉化器、輸出濾波器、控制電路、保護電路、監控單元等部分組成。高頻電源開關負責將輸入交流電經過濾波、整流、高頻變換、整流濾波等步奏，轉化為高質量、高品質的直流電。高頻開關電源是關鍵基礎設施，直接影響通信系統安全、可靠運行。由于供電系統要求 24 小時不間斷工作，散熱量大，持續時間長，因此和一般設備相比，其可靠性要求更高，其內部也更需要適宜的工作溫度。

2 存在問題

2.1 機房空調制冷方面

惠州電力通信中心機房，采用空調制冷風上送風模式，在機房上方將冷空氣送到機柜上方，在與機房上方的熱空氣混合后方用于環境的溫度的制冷。這種制冷方式和空氣流動特點相矛盾，冷氣下沉、熱氣上升的過程中，冷、熱空氣混合，制冷量無法直接到達機柜內部，也限制的機房內氣體的流動。

2.2 高頻開關電源機柜設計方面

現有的高頻電源機柜采用密閉式設計，散熱僅能通過前后機柜門的細小孔洞進行，散熱性能有限，空調的大部分制冷量消耗在了降低環境溫度上，而不是直接用于降低高頻整流模塊的溫度，制冷效率低下。尤其，對于通信中心機房，因需為大量設備供應電量供應，整流模塊多、工作負載重，散熱壓力尤為突出。

3 改造工作原則

為保證改造工作可控，結合相關技術規范和現場實際，確定工作原則：

穩定性原則：要求改造后的散熱方式能將高頻開關電源柜的工作溫度控制在規定范圍內，確保電源設備穩定。

可靠性原則：因改造工作需增加的溫度控制裝置，其可靠性應高于現有設備的可靠性，應盡量設計與采用符合現場安裝條件無源器件，必要時可采用冗余措施，進一步提升可靠性

易維護原則：直流供電系統在整個通信系統中處于極關鍵的位置，為避免散熱部件維護等操作風險可能導致對直流系統的沖擊，改造增加的部件，應易于維護、更換。

性價比原則：為提高改造探索成果進一步推廣應用的價值，在滿足以上原則的基礎上，應加強成本控制，使其具備較好的性價比。

4 機柜內部風道的散熱優化設計

大多數情況下，高頻開關電源的故障是由整流模塊的失效而導致的，所以增加整流模塊部分的散熱性能十分必要。通過研究不同位置的進氣口設置和導熱管安裝，對高頻整流模塊部分的散熱影響，制定了“冷熱風隔離”方案，旨在優化高頻開關電源機柜的氣流組織，實現冷熱空氣的分離，讓冷空氣順利的送入服務器內部，進行熱交換，將交換產生的熱空氣強制回流至空調機組，避免不必要的冷熱混合，主要的優化包括兩部分。

4.1 進氣口位置的優化

具體措施包括：

（1）將現有的玻璃門更換成有機玻璃門，并在有機玻璃門上開孔，增加加冷空氣流入量；

（2）增加各高頻整流模塊之間安裝檔板，通過檔板使冷空氣按照規定路線流動，保證所有整流模塊直接吸入機柜外的冷空氣，充分發揮制冷量。

4.2 出風口安裝導風管

通過安裝專用的熱風出風管道，實現冷熱風通道的隔離，具體措施包括：

（1）在高頻整流模塊出風口安裝專用的熱導風管，將模塊工作產生的熱流直接排除機柜外部；

（2）在機柜未安裝高頻整流模塊的位置，安裝補空面板，避免機柜內部冷熱空氣混合；

（3）在機柜后側中段增加擋風板，阻止從機柜前方吸入的冷空氣從機柜后面板下部回流到機柜外。

5 測試與分析

在惠州電力通信機房選取一組高頻開關電源柜進行了改造，涉及高頻整流模塊16個，機柜改造后柜內機柜冷空氣被有效利用，減少了機柜內無意義的冷熱交換，提高制冷效率， 降低了機柜整體以及各個整流模塊的工作溫度。

5.1 機柜工作溫度對比

機柜改造前，機柜內各整流模塊的溫度普遍在43℃以上，局部熱點超過45℃。由于機柜內未形成有效散熱風道，在室溫26℃的情況下，機柜入風口甚至出現機柜內熱空氣向進氣口倒灌的情況，溫度高于室溫1.3℃。優化改造后，各整流模塊的溫度平均下降了4℃左右，機柜散熱能力提升效果顯著。

表1

　優化前優化后溫度變化 進風口27.3℃26.1℃-1.2℃ 出風口35.7℃37.2℃+1.5℃ 模塊144.5℃40.3℃-4.2℃ 模塊243.9℃39.7℃-4.2℃ 模塊343.5℃39.8℃-3.7℃ 模塊445.1℃41.4℃-3.7℃

6 結語

本文通過對高頻開關電源散熱系統進行改進，采用調整機柜散熱孔、增加熱風導風管的方式，有效降低機柜內各模塊的工作溫度，提高高頻開關電源柜的散熱性能，保障通信直流系統的安全穩定運行。

[1]馮元明，裴旭，通信機房空調的耗能及節能[J].電信技術，2009（2）：78-80.

High-Frequency Switching Power Supply Cabinet Cooling Optimization

GuoDe Ru Zhu Ling

Guangdong Power Grid Co., Ltd. Huizhou Power Supply Bureau,Guangdong Huizhou 516000

With the power communication center room within Huizhou new equipment constantly put into operation, the DC system load rising, heat the high-frequency switching power supply also will increase the cooling performance of the original cabinet has been unable to meet the actual cooling requirements. To avoid the work environment should lead to long-term high temperature aging caused by the original failure, high-frequency rectifier cabinet cooling mode, based on the air flow characteristics of research, program development and transformation of the experimental, before and after comparison of the data obtained to prove the transformation good results can improve the delivery of cold process efficiency, efficient use of cooling capacity.

high-frequency switching power supply; the cabinet; heat

TM402

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1009-6434(2016)07-0184-02