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能要求的不斷提升，各個國家和地區的能效體系開始逐步推行季節能效比，因此變頻空調器在市場上的銷售占比越來越大。為了確保變頻空調器主板的可靠性，通常根據主板上整流橋、IGBT、IPM模塊等元器件的溫升限值在程序上設置溫度保護點，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。但是在室外高溫環境下，如果壓縮機頻率降低幅度較大，勢必影響空調器實際使用的舒適性，降低變頻機的使用體驗和產品品質。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，從發熱和散熱兩個角度出發，相應提出加大散熱的設計方案及優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，提高了空調器的性能。

1 元器件溫升產生的原因及對整機性能的影響

1.1 元器件溫升產生的原因分析

變頻空調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，會產生發熱現象。當工作電流和室外環境溫度不變時，功率器件的發熱和散熱狀態逐步達到平衡，元器件表面溫度逐漸升高直至穩定，此時元器件的表面溫度與環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，器件結溫達到極限后甚至還會導致燒毀。所以在綜合元器件本身溫度限值、產品使用壽命，以及制造廠家生產工藝導致的偏差等因素后，空調器在控制程序上通常對主板上相關元器件的溫度保護限值進行控制。表1是某品牌變頻空調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，建筑熱負荷大，需要空調器提供更多的制冷量來降低室內環境溫度。但是由于室外高溫，所以空調室外換熱器與環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量流量，以此來提高制冷量。

同時室外高溫時，空調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，主控程序將限制壓縮機頻率不再上升，維持現狀。如果壓縮機頻率在維持狀態下，元器件溫升繼續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，導致空調器的制冷量不足，無法使室內環境溫度快速降低，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，測試結果見表2。從測試數據來看：溫升改善前由于觸發溫度降頻保護點，壓縮機頻率降低到46 Hz后穩定運行，而溫升改善后壓縮機頻率可以提高到60 Hz，這樣空調器的制冷量較之前得到大幅提升，有效改善了空調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據

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熱阻和外熱阻兩部分組成[3]，內熱阻的大小主要取決于元器件的內部結構，故對于選定的元器件來說相同流通電流的情況下內熱阻變化不大。另外，根據元器件的特性，內熱阻相對外熱阻來說一般都比較小。以某款IPM模塊為例，對模塊表面和內部分別進行布點測試：當模塊表面溫升達到95℃時，模塊表面與模塊內部的溫差僅相差10℃以內，據此認為在解決元器件溫升問題時，內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給散熱器、散熱器和元器件對空氣的熱輻射，以及外機進風與散熱器的對流換熱三種方式。對于空調器而言，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（單位為W/m2K）；T2為元器件的表面溫度（單位為K）；T1為環境溫度（單位為K）。

對于同一環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，而對流換熱系數又由流經散熱器表面的風速和風量決定。

對上文提到的36K機型的空間布局進行分析：在空調器主板橫放時，散熱器在外機風場的上部位置。對其局部做風場仿真分析發現，流經散熱器的風被導流圈和前面板遮擋，導致風道被阻，風速較低，散熱效果較差（如圖1所示）。通過布局調整，將空調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整到風場中部。從風場仿真分析的結果來看：流經散熱器表面的風道沒有阻擋，風速明顯提升。對散熱器的表面風速進行實際測試，風速由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，溫升對比數據如表3所示。

圖1 主板橫放時散熱器在風場中的位置及風場分析

圖2 主板豎放時散熱器在風場中的位置及風場分析

表3 主板不同放置方式條件下功率器件表面溫度對比數據

從上文試驗對比數據來看，流經散熱器表面的風速及風量提升后，元器件表面的對流換熱系數提升，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 優化元器件選型降低溫升

對于空調器使用的功率器件來說，工作時所耗散的功率要通過發熱形式耗散出去[5]。若器件的散熱能力有限，則功率的耗散就會造成器件內部芯片有源區溫度上升及結溫升高，使得器件可靠性降低，無法穩定可靠工作。在實際應用中，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，所以開關損耗相對于導通損耗而言相對較小，主要考慮導通損耗即可。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電壓（單位為V）；I為正向通導電流（單位為A)。

當正向通導電流一致時，不同規格的整流橋由于內部結構不同，對應的通導電壓不同，這就導致了器件的功率損耗有差異。

根據圖3所示25 A整流橋和50 A整流橋正向導通電壓與電流關系圖可知，當正向通導電流一致時，25 A整流橋的正向導通電壓比50 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空調器上分別采用兩種規格整流橋進行對比測試，實驗室設置為高溫48℃工況，調整壓縮機運行頻率到空調器標稱功率基本一致的情況下，測試發現50 A整流橋比25 A整流橋的溫度低8.5℃，而其他性能指標不變，詳細數據如表4所示。試驗結果與理論分析的結論一致。

表4 同一機型不同規格整流橋表面溫度對比數據

圖3 兩種規格整流橋正向導通電壓與電流關系圖

4 結論

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

（1）高溫條件下元器件溫升過高將會導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速等強化換熱手段可以有效降低元器件的溫升。

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