姚新祥 熊硕 徐兴东
珠海格力电器股份有限公司
摘要
Abstract
在高温条件下，变频空调器电流大且主板元器件的散热条件差，元器件的温升比较高。为了确保变频空调器的可靠性，通常采取控制压缩机降低运行频率来降低整机电流和主板温升，但这种方式导致了空调器性能的下降，影响了空调器的舒适性。为解决此问题，从元器件温升产生的原因进行了详细分析，提出了强化换热及优化元器件选型来降低元器件温升的解决方案，并通过理论分析和实验验证证明了解决方案的有效性。
关键词
Keywords
主板；温升；强化换热；变频机；整流桥
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2022.02.006
0 引言
随着全球变暖的趋势以及节能要求的不断提升，各个国家和地区的能效体系开始逐步推行季节能效比，因此变频空调器在市场上的销售占比越来越大。为了确保变频空调器主板的可靠性，通常根据主板上整流桥、IGBT、IPM模块等元器件的温升限值在程序上设置温度保护点，一旦检测到主板温升达到限定值，程序自动控制压缩机降低运行频率以降低主板及其元器件的温升。但是在室外高温环境下，如果压缩机频率降低幅度较大，势必影响空调器实际使用的舒适性，降低变频机的使用体验和产品品质。故有必要对室外高温条件下如何降低主板的温升进行研究和分析，在确保主板可靠性的前提下，满足消费者对空调器的舒适性的要求。本文对影响元器件温升的因素进行分析，从发热和散热两个角度出发，相应提出加大散热的设计方案及优化元器件选型的策略，切实可行的解决了主板的温升问题。在确保主板可靠性的前提下，提高了空调器的性能。
1 元器件温升产生的原因及对整机性能的影响
1.1 元器件温升产生的原因分析
变频空调器主板上通常使用的功率器件有整流桥、功率二极管、IGBT、IPM、电容、电感等[1]。这些元器件在工作的过程中存在功率损耗，会产生发热现象。当工作电流和室外环境温度不变时，功率器件的发热和散热状态逐步达到平衡，元器件表面温度逐渐升高直至稳定，此时元器件的表面温度与环境温度的差值称为元器件的温升。元器件的温升直接与其可靠性息息相关，器件结温达到极限后甚至还会导致烧毁。所以在综合元器件本身温度限值、产品使用寿命，以及制造厂家生产工艺导致的偏差等因素后，空调器在控制程序上通常对主板上相关元器件的温度保护限值进行控制。表1是某品牌变频空调器主控程序中主要元器件的温度保护限值。
表1 变频机主板使用的元器件温度限值
1.2 高温条件下元器件温升过高对整机性能的影响
在高温条件下，建筑热负荷大，需要空调器提供更多的制冷量来降低室内环境温度。但是由于室外高温，所以空调室外换热器与环境之间的换热温差变小，换热效率变差，压缩机频率不变时制冷量降低。为了满足高温下制冷量的需求，一般需要提高变频压缩机的频率来加大制冷剂的质量流量，以此来提高制冷量。
室外高温时，空调器电流变大且主板元器件的散热条件变差，元器件的温升会相应提高[2]。如果温升过高而达到限制频率上升的保护点时，主控程序将限制压缩机频率不再上升，维持现状。如果压缩机频率在维持状态下，元器件温升继续上升达到降频保护点时，主控程序控制压缩机频率下降，以此来降低空调器的功率和电流，达到降低元器件温升的目的。但此时压缩机运行频率因被限频或降频而不能提高，导致空调器的制冷量不足，无法使室内环境温度快速降低，因此影响了用户的体验。
以某品牌一款36K空调器为例，在相同的测试工况条件下，对温升改善前后的性能进行对比测试，测试结果见表2。从测试数据来看：温升改善前由于触发温度降频保护点，压缩机频率降低到46 Hz后稳定运行，而温升改善后压缩机频率可以提高到60 Hz，这样空调器的制冷量较之前得到大幅提升，有效改善了空调器在高温条件下的舒适性。故研究高温条件下元器件温升的改善措施对提高空调器的可靠性和舒适性都有较大的意义。
表2 变频机改善元器件温升前后性能对比数据
2 强化换热降低元器件温升的方案
元器件的热阻主要由内热阻和外热阻两部分组成[3]，内热阻的大小主要取决于元器件的内部结构，故对于选定的元器件来说相同流通电流的情况下内热阻变化不大。另外，根据元器件的特性，内热阻相对外热阻来说一般都比较小。以某款IPM模块为例，对模块表面和内部分别进行布点测试：当模块表面温升达到95℃时，模块表面与模块内部的温差仅相差10℃以内，据此认为在解决元器件温升问题时，内热阻不是考虑的重点，主要着眼通过降低外热阻来解决。
元器件的外热阻主要由其表面的散热好坏来决定。散热方式主要有元器件直接把热量传导给散热器、散热器和元器件对空气的热辐射，以及外机进风与散热器的对流换热三种方式。对于空调器而言，元器件与散热器紧密贴合，且中间的缝隙均匀涂覆散热膏，热传导效率较高，能够改善的空间较小。已知，辐射换热效率又较低，所以降低外热阻主要依靠强化对流换热的方式。
根据牛顿冷却定律[4]：
式中：Φ为元器件表面的对流换热量（单位为W）；A为元器件的散热表面积（单位为m2）；h为元器件表面的对流换热系数（单位为W/m2K）；T2为元器件的表面温度（单位为K）；T1为环境温度（单位为K）。
对于同一环境温度以及选定的元器件和散热器，散热表面积A和T1为定值。对流换热量的大小取决于对流换热系数，而对流换热系数又由流经散热器表面的风速和风量决定。
对上文提到的36K机型的空间布局进行分析：在空调器主板横放时，散热器在外机风场的上部位置。对其局部做风场仿真分析发现，流经散热器的风被导流圈和前面板遮挡，导致风道被阻，风速较低，散热效果较差（如图1所示）。通过布局调整，将空调器主板的放置方向由横放改为竖直放置（如图2所示），这样散热器的位置调整到风场中部。从风场仿真分析的结果来看：流经散热器表面的风道没有阻挡，风速明显提升。对散热器的表面风速进行实际测试，风速由1.6 m/s提高到4.3 m/s，散热效果明显改善。对主板上各元器件进行布点测试，温升对比数据如表3所示。
图1 主板横放时散热器在风场中的位置及风场分析
图2 主板竖放时散热器在风场中的位置及风场分析
表3 主板不同放置方式条件下功率器件表面温度对比数据
从上文试验对比数据来看，流经散热器表面的风速及风量提升后，元器件表面的对流换热系数提升，对流换热量大幅提高，各元器件的表面温升均有所下降。其中整流桥温升降低16℃以上，二级管、IGBT、IPM模块温升降低10℃以上，电感温升降低5℃左右。
3 优化元器件选型降低温升
对于空调器使用的功率器件来说，工作时所耗散的功率要通过发热形式耗散出去[5]。若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法稳定可靠工作。在实际应用中，除了对这些器件使用散热器以及强化换热来控制其工作温升，还可以在确保整机的性能和压缩机运行频率一致，不降低整机电流的前提下通过元器件选型来解决。以温升最高的整流桥为例进行分析，整流桥一般采用的是工频整流，所以开关损耗相对于导通损耗而言相对较小，主要考虑导通损耗即可。故整流桥的功率损耗计算公式可以简化为：
式中：P为整流桥的功率损耗（单位为W）；VF为元器件的正向通导电压（单位为V）；I为正向通导电流（单位为A)。
当正向通导电流一致时，不同规格的整流桥由于内部结构不同，对应的通导电压不同，这就导致了器件的功率损耗有差异。
根据图3所示25 A整流桥和50 A整流桥正向导通电压与电流关系图可知，当正向通导电流一致时，25 A整流桥的正向导通电压比50 A整流桥要大，故25 A整流桥的功率损耗更大，温升更高。在某款30K空调器上分别采用两种规格整流桥进行对比测试，实验室设置为高温48℃工况，调整压缩机运行频率到空调器标称功率基本一致的情况下，测试发现50 A整流桥比25 A整流桥的温度低8.5℃，而其他性能指标不变，详细数据如表4所示。试验结果与理论分析的结论一致。
图3 两种规格整流桥正向导通电压与电流关系图
表4 同一机型不同规格整流桥表面温度对比数据
4 结论
室外高温条件下变频空调器主板上元器件的温升高低不仅对空调器可靠性有着至关重要的影响，而且会直接影响消费者对变频空调产品的舒适度体验，所以对于变频空调器来说，元器件的温升是必须要重点关注和研究的问题。本文从元器件温升产生的原因进行分析，从强化换热及优化元器件选型两个方面进行了详细分析，对降低元器件温升提出了有效的解决措施，并根据理论分析的结果进行试验验证，得出如下结论：
（1）高温条件下元器件温升过高将会导致变频机的运行频率降低，从而降低整机的制冷量。
（2）通过增大散热器表面积和表面风速等强化换热手段可以有效降低元器件的温升。
（3）通过优化功率器件的选型，在不影响其他性能指标的前提下采用更大规格的元器件可以降低功率损耗，从源头上降低发热量，进而降低温升。
参考文献
[1] 张园, 马海林, 赖孝成, 江世恒. 基于Icepak变频空调主板散热器优化设计[J]. 家电科技, 2020(01): 50-52.
[2] 舒卫民, 顾华, 任仲贤, 肖劲松. 对变频空调器输入功率和电流及发热测试方法的探讨[J]. 家电科技, 2005(01): 63-65.
[3] 赵修科. 开关电源中的磁性元件[M]. 北京: 辽宁科学技术出版社, 2014.
[4] 杨世铭, 陶文铨. 传热学(第四版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.
[5] 黄滔, 李发顺. 变频空调功率器件散热器设计[J]. 日用电器, 2015(08): 48-50.
（责任编辑：张晏榕）
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