水冷電源優勢大解析
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文: Brian Lu/ 美國明緯工程部
brian@meanwellusa.com
由於客戶應用環境與SPS設計差異，SPS製造商會設計相對應散熱方式的產品，一般常見的為自然對流、傳導散熱、強制對流與水冷…等方式。不同的散熱與冷卻方式其散熱能力差異很大，可參考以下常見的散熱方式比較說明。
- 散熱方式與熱傳係數
| 散熱方式 | 熱傳係數 (W/m2K) |
| 自然對流 | 3-12 |
| 強制對流 | 10-100 |
| 水冷 | 3000-7000 |
2. 散熱方式與散熱能力
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由上圖與表格可以明顯看出,水冷散熱方式相對於其他散熱方式有更高的散熱效益,當然整體系統架構上則需付出更高的成本，下表為針對SPS設計做三種不同散熱方式比較，包括優點、缺點和應用。
| 優點 | 缺點 | 應用 | |
| 自然散熱 (被動) |
• 可廣泛使用 • 低成本 • 無額外功耗 • 無聲噪與振動, 靜音運作 • 低維護 • 結構簡單, 安裝容易 |
• 散熱能力低 • 需要大散熱面積 • 散熱能力與方向性強相關 • 在不同的環境下難以有效控制散熱 • 對流散熱面必須保持清潔無異物與侵蝕 |
• 適用於低功率密度 • 需要無無噪音無震動的環境, 譬如小功率醫療設備, 室內照明,家電, 安防, 精密儀器等 |
| 強制風冷 (主動) | • 體積熱阻, 比被動式散熱方式小 • 散熱能力, 比被動式散熱方式高 • 可自定制冷卻性能 |
• 短期可靠度 • 成本較高 • 需要經常維護與更換 • 外來異物, 譬如粉塵 • 聲噪與振動 • 需要提供額外電力驅動風扇 |
• 適用於中到高功率密度 • 系統本身非密閉有空氣流動 • 一般用於工業設備,資通訊, 戶外照明等 |
| 水冷 (主動) |
• 優良的散熱能力 • 散熱效率高 • 無噪音與振動, 運作安靜 • 在高環溫下也能有效冷卻 • 提升SPS使用壽命 • 可在非常寬範圍溫度下運作 |
• 複雜 • 成本較高 • 對洩漏很敏感 • 需要外接水冷機 |
• 適用於高到極高功率密度 • 薄型化應用 • 需要定溫循環的設備 • 惡劣環境 • 大多用於高功率工業設備, 例如工業雷射, 充電站等 |
目前在開關電源設計中，對流冷卻和強制風冷被廣泛採用，普遍被使用在產生較少熱或是中低功率的應用中。針對產生較高熱量的應用（例如光纖雷射器）則大多利用水冷器通過水迴圈（水冷）來散熱。極高功率密度之大功率（約10KW以上）應用也會使用水冷技術，以減小設備整體尺寸。利用既有的水冷機，具備水冷的電源產品是鐳射和極高功率密度之大功率設計應用的首選。
明緯首款水冷電源PHP-3500系列，最高輸出可達3500W，透過並聯功能，最多可並聯四台產品，以提供高達14,000W的功率。由於具備水冷功能，PHP-3500適用於光纖雷射器和配備水冷機的高密度功率應用。除了水冷之外，針對工業自動化應用所需，PHP-3500系列也可以通過外部風扇進行冷卻散熱。兩種散熱模式主要差異在水冷可以有效降低電源內部零件的溫度。從下方影片中，可以看到PHP-3500-48在水冷和風冷的散熱模式下，MOSFET和電容器的溫度變化。使用水冷散熱的方式，MOSFET和電容器的溫度比風冷低 6~18 °C。水冷技術不僅可以使電源內部零件維持在一個更低的理想溫度，使產品具有更高的可靠性，也讓高功率應用或光纖雷射器的產品外形設計更加小巧。