高频开关电源柜散热优化研究

郭德孺 朱 凌



高频开关电源柜散热优化研究

郭德孺 朱 凌

广东电网有限责任公司惠州供电局，广东 惠州 516000

随着惠州电力通信中心机房内新设备不断投运，直流系统负载日渐提高，高频开关电源的发热量也随之提高，原有的机柜冷却性能已无法满足实际的散热需求。为避免应工作环境长期温度较高导致原件老化引发故障，在对高频整流机柜的散热方式、气流流动特点研究的基础上，制定方案并进行了实验性改造，通过前后数据对比，证明改造取得良好效果，能提高送冷过程效率，实现制冷量的有效利用。

高频开关电源；机柜；散热

1 概述

1.1 机柜散热技术简介

机柜的散热分为主动式和被动式散热两种。常见的主动式散热方式包括风冷、液冷、半导体制冷等。其中液冷、半导体制冷装置价格偏高且安装复杂，应用较少。在机柜散热中，风冷方式价格低廉、安装方面，是最常见的散热方式,其基本原理是通过使用风扇、管道等加大与引导空气流动的速度和方向，达到快速带走热量的效果[1]。

1.2 高频开关电源简介

高频开关电源主要由输入滤波器、输入整流器、高频转化器、输出滤波器、控制电路、保护电路、监控单元等部分组成。高频电源开关负责将输入交流电经过滤波、整流、高频变换、整流滤波等步奏，转化为高质量、高品质的直流电。高频开关电源是关键基础设施，直接影响通信系统安全、可靠运行。由于供电系统要求 24 小时不间断工作，散热量大，持续时间长，因此和一般设备相比，其可靠性要求更高，其内部也更需要适宜的工作温度。

2 存在问题

2.1 机房空调制冷方面

惠州电力通信中心机房，采用空调制冷风上送风模式，在机房上方将冷空气送到机柜上方，在与机房上方的热空气混合后方用于环境的温度的制冷。这种制冷方式和空气流动特点相矛盾，冷气下沉、热气上升的过程中，冷、热空气混合，制冷量无法直接到达机柜内部，也限制的机房内气体的流动。

2.2 高频开关电源机柜设计方面

现有的高频电源机柜采用密闭式设计，散热仅能通过前后机柜门的细小孔洞进行，散热性能有限，空调的大部分制冷量消耗在了降低环境温度上，而不是直接用于降低高频整流模块的温度，制冷效率低下。尤其，对于通信中心机房，因需为大量设备供应电量供应，整流模块多、工作负载重，散热压力尤为突出。

3 改造工作原则

为保证改造工作可控，结合相关技术规范和现场实际，确定工作原则：

稳定性原则：要求改造后的散热方式能将高频开关电源柜的工作温度控制在规定范围内，确保电源设备稳定。

可靠性原则：因改造工作需增加的温度控制装置，其可靠性应高于现有设备的可靠性，应尽量设计与采用符合现场安装条件无源器件，必要时可采用冗余措施，进一步提升可靠性

易维护原则：直流供电系统在整个通信系统中处于极关键的位置，为避免散热部件维护等操作风险可能导致对直流系统的冲击，改造增加的部件，应易于维护、更换。

性价比原则：为提高改造探索成果进一步推广应用的价值，在满足以上原则的基础上，应加强成本控制，使其具备较好的性价比。

4 机柜内部风道的散热优化设计

大多数情况下，高频开关电源的故障是由整流模块的失效而导致的，所以增加整流模块部分的散热性能十分必要。通过研究不同位置的进气口设置和导热管安装，对高频整流模块部分的散热影响，制定了“冷热风隔离”方案，旨在优化高频开关电源机柜的气流组织，实现冷热空气的分离，让冷空气顺利的送入服务器内部，进行热交换，将交换产生的热空气强制回流至空调机组，避免不必要的冷热混合，主要的优化包括两部分。

4.1 进气口位置的优化

具体措施包括：

（1）将现有的玻璃门更换成有机玻璃门，并在有机玻璃门上开孔，增加加冷空气流入量；

（2）增加各高频整流模块之间安装档板，通过档板使冷空气按照规定路线流动，保证所有整流模块直接吸入机柜外的冷空气，充分发挥制冷量。

4.2 出风口安装导风管

通过安装专用的热风出风管道，实现冷热风通道的隔离，具体措施包括：

（1）在高频整流模块出风口安装专用的热导风管，将模块工作产生的热流直接排除机柜外部；

（2）在机柜未安装高频整流模块的位置，安装补空面板，避免机柜内部冷热空气混合；

（3）在机柜后侧中段增加挡风板，阻止从机柜前方吸入的冷空气从机柜后面板下部回流到机柜外。

5 测试与分析

在惠州电力通信机房选取一组高频开关电源柜进行了改造，涉及高频整流模块16个，机柜改造后柜内机柜冷空气被有效利用，减少了机柜内无意义的冷热交换，提高制冷效率， 降低了机柜整体以及各个整流模块的工作温度。

5.1 机柜工作温度对比

机柜改造前，机柜内各整流模块的温度普遍在43℃以上，局部热点超过45℃。由于机柜内未形成有效散热风道，在室温26℃的情况下，机柜入风口甚至出现机柜内热空气向进气口倒灌的情况，温度高于室温1.3℃。优化改造后，各整流模块的温度平均下降了4℃左右，机柜散热能力提升效果显著。

表1

　优化前优化后温度变化 进风口27.3℃26.1℃-1.2℃ 出风口35.7℃37.2℃+1.5℃ 模块144.5℃40.3℃-4.2℃ 模块243.9℃39.7℃-4.2℃ 模块343.5℃39.8℃-3.7℃ 模块445.1℃41.4℃-3.7℃

6 结语

本文通过对高频开关电源散热系统进行改进，采用调整机柜散热孔、增加热风导风管的方式，有效降低机柜内各模块的工作温度，提高高频开关电源柜的散热性能，保障通信直流系统的安全稳定运行。

[1]冯元明，裴旭，通信机房空调的耗能及节能[J].电信技术，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

A

1009-6434(2016)07-0184-02