10°C的温升意味着什么——浅析电源对温升的影响

发布时间:2013-04-26
环境温度每升高10°C,电子元器件的寿命会减少50%.实际应用中,工程师们以对设备热设计的不断改进来提高整个系统的可靠性.

环境温度每升高10°C,电子元器件的寿命会减少50%。实际应用中,工程师们以对设备热设计的不断改进来提高整个系统的可靠性。工控电源是系统设备供电的关键环节,它的温升影响着系统环境温度,它的可靠性也决定着系统的可靠性。效率是温升的直接影响因素。多年来,PULS普尔世电源集团一直将效率视为最重要的技术指标之一,其在这一方面严谨而重视的态度和电源领域效率第一的成绩不仅获得了市场研究机构的官方认可,更是推动了整个电源行业的“热设计”向更优化发展。

密封盒内的温升实验

为了形象地描述工控电源的发热可能引起的环境温升,普尔世专门定义了一项独特的技术参数:密封盒温升(Temperature rise)。特此做了一项有关工控电源工作引起温升的实验,其具体实验条件与方法如下:

密封盒:防护等级为IP66的Rittal威图工业盒,盒体及背板均为隔热的合成材料;

负载:置于密封盒外,为电源额定输出功率的80%;

输入电压:额定输入电压;

盒内温度:带载运行约2小时后,实测盒内电源左侧2cm处稳定的空气温度

盒外温度:带载运行约2小时后,实测盒背后中下部2cm处稳定的空气温度

密封盒温升:盒内温度与盒外温度之差

图1:PULS普尔世电源产品在密封盒温升实验中

图1:PULS普尔世电源产品在密封盒温升实验中

按照图1中的原理,普尔世又做了一项对比实验,具体过程为:在同一型号的IP66密闭盒内比较相同功率不同品牌的电源产品。引起的不同温升结果在表1中列出:

表1:三款同功率不同品牌产品在同型号密封盒内的温升实验结果

表1:三款同功率不同品牌产品在同型号密封盒内的温升实验结果

观察表1的实验结果,在三款三相输入的24V/20A电源中,A品牌电源比普尔世电源高出12°C的温升,而它们在各自官方数据表中列出的功率损耗相差11W。由此可见,引起不同温升的秘密就在于功率损耗的不同,也就是在满足同样负载的前提下的消耗不同,而这些消耗就是密封盒内的“热源”。

环境温升与电源效率

要理解温升是如何产生的,首先要理解何为效率。效率是输出功率和输入功率的比值。损失掉的就是浪费的能量,它以热量的形式存在(图2)。电源作为一种电能转换设备,在转换过程中它本身会消耗掉一些电能,这些电能也就被转化为热量,释放在环境中,致使环境温升。

环境温升与电源效率

用一个比较简单的例子来比较电源的转换效率:两个240W的电源,一个效率为88%,另一个效率为92%,它们的电源热损耗分别是32W和20W,相比之下,前者比后者多释放12W的热能。

另外,效率是随着输入电压和负载的情况而改变的,它并不能作为一个单一的因素而独立存在。这一点很关键。例如,一个电源在230V输入和80%负载的情况下效率为93%,但在120V输入和100%负载的情况下效率可能只有88%。

普尔世关于效率的说明非常明确。在普尔世的电源产品数据表中,声明每个效率值的同时都会给出输入电压的大小和负载的情况,不会为了追求列出最高效率而对其所属条件含糊不提。这也使得工程师的设计工作更加便捷,无需再做带载测试观察电源导致的温升。

温升不只影响电源寿命

显然,温度是影响电源寿命的主要因素。因为电解电容是众多影响电源寿命的关键元器件之一。每一个电容制造商都会公布一份关于电容寿命的信息:温度每升高10℃,电容寿命减少50%。所以消除从电源和周边环境产生的热对于电源产品及周围环境中的电子设备的寿命来说非常重要。效率低下的电源不但会使电源及周围环境温度偏高,影响电源的寿命,同时也会导致许多负面效果。

首先,电源的温升也影响控制柜内其它元件的寿命。如果使用了一个低效率的电源,柜体内的整体环境温度都会偏高,整个系统中的如PLC、驱动、以太网开关等设备的寿命也会受到影响。大多数设计工程师在他们的设计中都忽略了效率的影响。在几年前的一个工程大会上,美国一家大型企业的能源效率主管曾对整个集团说:“先生们,设计一个低效率的产品意味着我们实际上是在以浪费能源的形式,花我们自己的钱,破坏我们自己的产品,这是多么愚蠢啊!”

其次,温升影响系统的可靠性。例如钢铁行业或者特殊地区室外作业行业,环境温度可能会很高,若因为电源再增加系统环境温度,则会导致所有电子元器件降额,故障率增高,整个系统的可靠性无法得到保障。

再次,温升影响电源占用的柜体空间。电源的体积包含了两个重要的散热因素——通风道体积和散热片面积。由于需要足够的空间留给通风道和散热片,以此保证散热能力,维持电源内部温度在可接受的温度范围之内,几乎所有主要的电源生产商都会考虑适当做大电源的尺寸。但与此同时,电源占用电柜内的空间也会受到影响。而某些行业(如风电)的电柜或机柜本身受成本所限,对电源的体积也有着相对严格的要求,这就产生了散热与空间的矛盾。目前,市场上体积最小、散热片最少的单相输入、24V/20A输出的电源产品,就是普尔世的CPS20.241(图3)。

普尔世的CPS20.241(图3)

另外,高温升、低效率也意味着高运营成本。被浪费的能量在浪费能源成本本身的同时,降低了产品寿命,也造成了更大的空间需求,从而形成了一系列潜在的成本浪费。

着眼“整体成本”

普尔世之所以能够做出市场上温升最低、效率最高的电源,是因为其研发团队从上世纪80年代开始就重视“热设计”。直到如今,效率和热损耗都是普尔世电源产品最关键的标准之一。普尔世电源在设计时采用热能管理软件来最大化热能的耗散,元器件排布合理整齐,风道清晰可见,在业内堪称卓越;元件方面,普尔世也采用长寿命的高质量电容;在电源外壳的设计上,普尔世在精确计算预留出足够的散热空间的基础上,将电源的尺寸做到最小,从而节省系统空间。这些也为普尔世带来了许多成功。

在中国“十二五”计划与产业升级的大环境下,着眼于“整体成本”的普尔世电源集团(中国)秉承“精于电•致于心”的理念,致力把欧洲最先进的电源技术带到中国,并结合中国用户的本土需求量身定制整体应用方案,将第一品牌的创新与品质转化为用户的商业价值,与中国用户共同发展。

    普尔世贸易(苏州)有限公司