高頻開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的一般原則

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯高頻開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的一般原則 1 引言 電子產(chǎn)品對工作溫度一般均有嚴(yán)格的要求。電源設(shè)備內(nèi)部過高的溫升將會(huì)導(dǎo)致對溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效。當(dāng)溫度超過肯定值時(shí)，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每上升2，牢靠性下降10；溫升50時(shí)的壽命只有溫升為25時(shí)的1/6。所以電子設(shè)備均會(huì)遇到掌握整個(gè)機(jī)箱及內(nèi)部元器件溫升的要求，這就是電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)。而高頻開關(guān)電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設(shè)備，溫度更是影響其牢靠性的最重要的因素，為此對整體的熱設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求。完整的熱設(shè)計(jì)包括兩方面：如何掌握熱源的發(fā)熱量；如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。最

2、終目的是如何將達(dá)到熱平衡后的電子設(shè)備溫度掌握在允許范圍以內(nèi)。 2 發(fā)熱掌握設(shè)計(jì) 開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開關(guān)管（如MOSFET、IGBT、GTR、SCR等），大功率二極管（如超快恢復(fù)二極管、肖特基二極管等），高頻變壓器、濾波電感等磁性元件以及假負(fù)載等。針對每一種發(fā)熱元器件均有不同的掌握發(fā)熱量的方法。 2.1 削減功率開關(guān)的發(fā)熱量 開關(guān)管是高頻開關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，削減它的發(fā)熱量，不僅可以提高開關(guān)管自身的牢靠性，而且也可以降低整機(jī)溫度，提高整機(jī)效率和平均無故障時(shí)間（MTBF）。開關(guān)管在正常工作時(shí)，呈開通、關(guān)斷兩種狀態(tài)，所產(chǎn)生的損耗可細(xì)分成兩種臨界狀態(tài)產(chǎn)生的損耗和導(dǎo)通狀態(tài)產(chǎn)生的

3、損耗。其中導(dǎo)通狀態(tài)的損耗由開關(guān)管本身的通態(tài)電阻打算?？梢酝ㄟ^選擇低通態(tài)電阻的開關(guān)管來削減這種損耗。MOSFET的通態(tài)電阻較IGBT的大，但它的工作頻率高，因此仍是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的首選器件?，F(xiàn)在IR公司新推出的IRL3713系列HEXFET(六角形場效應(yīng)晶體管)功率MOSFET已將通態(tài)電阻做到3m，從而使這些器件具有更低的傳導(dǎo)損失、柵電荷和開關(guān)損耗。美國APT公司也有類似的產(chǎn)品。開通和關(guān)斷兩種臨界狀態(tài)的損耗也可通過選擇開關(guān)速度更快、恢復(fù)時(shí)間更短的器件來削減。但更為重要的則是通過設(shè)計(jì)更優(yōu)的掌握方式和緩沖技術(shù)來削減損耗，這種方法在開關(guān)頻率越高時(shí)越能體現(xiàn)出優(yōu)勢來。如各種軟開關(guān)技術(shù)，能讓開關(guān)管在零電壓、零

4、電流狀態(tài)下開通或關(guān)斷，從而大大削減了這兩種狀態(tài)產(chǎn)生的損耗。而一些生產(chǎn)廠家從成本上考慮仍采納硬開關(guān)技術(shù)，則可以通過各種類型的緩沖技術(shù)來削減開關(guān)管的損耗，提高其牢靠性。 2.2 削減功率二極管的發(fā)熱量 高頻開關(guān)電源中，功率二極管的應(yīng)用有多處，所選用的種類也不同。對于將輸入50Hz溝通電整流成直流電的功率二極管以及緩沖電路中的快恢復(fù)二極管，一般狀況下均不會(huì)有更優(yōu)的掌握技術(shù)來削減損耗，只能通過選擇高品質(zhì)的器件，如采納導(dǎo)通壓降更低的肖特基二極管或關(guān)斷速度更快且軟恢復(fù)的超快恢復(fù)二極管，來削減損耗，降低發(fā)熱量。高頻變壓器二次側(cè)的整流電路還可以采納同步整流方式，進(jìn)一步削減整流壓降損耗和發(fā)熱量，但它們均會(huì)增加成

5、本。所以生產(chǎn)廠家如何把握性能與成本之間的平衡，達(dá)到性價(jià)比最高是個(gè)很值得討論的問題。 2.3 削減高頻變壓器與濾波電感等磁性元件的發(fā)熱 高頻開關(guān)電源中不行缺少地應(yīng)用了各種磁性元件，如濾波器中的扼流圈、儲(chǔ)能濾波電感，隔離型的電源還有高頻變壓器。它們在工作中會(huì)產(chǎn)生或多或少的銅損、鐵損，這些損耗以發(fā)熱的方式散發(fā)出來。尤其是電感和變壓器，線圈中所流的高頻電流由于趨膚效應(yīng)的影響，會(huì)使銅損成倍增加，這樣電感、變壓器所產(chǎn)生的損耗成為不行忽視的一部分。因此在設(shè)計(jì)上要采納多股細(xì)漆包線并聯(lián)纏繞，或采納寬而薄的銅片纏繞，以降低趨膚效應(yīng)造成的影響。磁芯一般選用高品質(zhì)鐵氧體材質(zhì)，如日本生產(chǎn)的TDK磁性材料。型號的選擇上要

6、留有肯定的余量，防止消失磁飽和。 2.4 削減假負(fù)載的發(fā)熱量 大功率開關(guān)電源為避開空載狀態(tài)引起的電壓上升，往往設(shè)有假負(fù)載大功率電阻，帶有源PFC單元的電源更是如此。開關(guān)電源工作時(shí)，假負(fù)載要通過少量電流，不但會(huì)降低開關(guān)電源的效率，而且其發(fā)熱量也是影響整機(jī)熱穩(wěn)定性的因素。假負(fù)載在印制板（PCB）上的位置往往與輸出濾波用的電解電容靠得很近，而電解電容對溫度極為敏感。因此很有必要降低假負(fù)載的發(fā)熱量。比較可行的方法是將假負(fù)載設(shè)計(jì)成阻抗可變方式。通過對開關(guān)電源輸出電流的檢測來掌握假負(fù)載阻抗的大小，當(dāng)電源處于正常負(fù)載時(shí)，假負(fù)載退出消耗電流狀態(tài)；空載時(shí)，假負(fù)載消耗電流最大。這樣既不會(huì)影響電源空載時(shí)的穩(wěn)定性，也

7、不會(huì)降低電源的效率和產(chǎn)生大量不必要的熱量。 3 散熱設(shè)計(jì) 3.1 散熱的基本方式及其計(jì)算方法 散熱有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流換熱和熱輻射。 1）熱傳導(dǎo) 靠物體直接接觸或物體內(nèi)部各部分之間發(fā)生的傳熱即是熱傳導(dǎo)。其機(jī)理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分之間、分子動(dòng)能的相互傳遞。熱傳導(dǎo)與電流的概念特別類似，熱量總是從溫度高的地方傳導(dǎo)到溫度低的地方，熱傳導(dǎo)過程中有熱阻存在猶如電流流淌過程中有電阻一樣。其熱流量=W，式中Rt為熱阻，為溫度差。而熱阻Rt=K/W，式中為導(dǎo)體厚度，為熱導(dǎo)率，A為導(dǎo)體截面積。這樣，在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，可以由發(fā)熱源的耗散功率，求出溫升=Rt。由于實(shí)際應(yīng)用中，熱流量從熱源動(dòng)身

8、到達(dá)散熱器往往要經(jīng)過幾種不同材料的熱導(dǎo)體，即存在不同熱阻的串聯(lián)，在計(jì)算時(shí)，總熱阻為多個(gè)熱阻的和。 2）對流換熱 熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳給與它緊靠在一起的流體層，這層流體受熱后，體積膨脹，密度變小，向上流淌，四周的密度大的流體流過來填充，填充過來的流體吸熱膨脹向上流淌，如此循環(huán)，不斷從發(fā)熱元器件表面帶走熱量，這一過程稱為對流換熱。對流換熱的計(jì)算一般采納牛頓所提出的公式：=A(12)W，其中A為與流體接觸的壁面面積m2，為對流換熱系數(shù)，1為壁面溫度K，2為流體平均溫度K。由此可見，熱流量與對流換熱系數(shù)，截面積A及固體表面與流體的溫度差（12）的乘積成正比。對流換熱是一種簡單的熱傳遞過程，它不僅打算

9、于熱的過程，而且打算于氣體的動(dòng)力學(xué)過程。簡潔地說，影響對流換熱的因素有兩個(gè)方面：（1）流體的物理性質(zhì)，如密度、粘度、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱等；（2）流體的流淌狀況，是自然對流還是強(qiáng)迫對流，是層流還是紊流。由于層流時(shí)，熱傳遞主要依靠互不相干的流層之間導(dǎo)熱；而紊流時(shí)，則在緊貼壁面的層流底層之外，流體產(chǎn)生漩渦加強(qiáng)了熱傳遞作用。一般而言，在其它條件相憐憫況下，紊流的換熱系數(shù)比層流的換熱系數(shù)大好幾倍，甚至更多。 3）熱輻射 由于溫差引起的電磁波傳播稱為熱輻射。它的過程比熱傳導(dǎo)和對流換熱簡單得多。它是將物體的一部分熱能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量，通過能傳遞電磁波的介質(zhì)如空氣、真空等，向四周傳播出去，當(dāng)遇到其它物體

10、時(shí)，則一部分被汲取再轉(zhuǎn)化為熱能，剩下的則被反射回來。各種物體所散發(fā)出來的紅外線，即是熱輻射的一種。在真空或空氣中，物體輻射出去的輻射力量，打算于物體的性質(zhì)、表面狀況（如顏色、粗糙度等）、表面積大小及表面溫度等。=bA(T14T24)其中b為波爾茲曼常數(shù)，值為5.67×108，A為輻射表面積m2，T為兩物體表面的肯定溫度K,為表面黑度。物體表面顏色越深，越粗糙，輻射力量越強(qiáng)。 3.2 開關(guān)電源中各發(fā)熱源的主要散熱方式 開關(guān)電源中各發(fā)熱源，如整流橋、功率開關(guān)管、快恢復(fù)二極管、磁性元件以及作為假負(fù)載的大功率電阻等，這些元器件所產(chǎn)生的熱量必需設(shè)法散發(fā)出去，一般熱設(shè)計(jì)所采納的散熱方式主要是傳導(dǎo)

11、換熱和對流換熱。即全部發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過熱傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過對流換熱的方式由空氣帶出機(jī)箱。實(shí)際的散熱忱況為三種傳熱方式的綜合，可以用牛頓公式來統(tǒng)一表達(dá)：=KS，其中S為散熱表面積，K為表面散熱系數(shù)。表面散熱系數(shù)通常由試驗(yàn)確定，在一般的工程流體力學(xué)中有數(shù)據(jù)可查。它把傳熱的三種形式全部統(tǒng)一起來了。 通過=KS，我們可以在計(jì)算出耗散功率以后，依據(jù)允許溫升來確定散熱表面積S，并由此而確定所要選用的散熱器。這種計(jì)算對于提高開關(guān)電源的牢靠性、功率密度、性價(jià)比等都有著重要意義。在相當(dāng)多的狀況下，生產(chǎn)廠家為了降低電源模塊的成本，往往采納通用型的散熱器，這些散熱器的設(shè)

12、計(jì)并不肯定特別合適。對于特定的要求高牢靠性的通信用高頻開關(guān)電源來說，有針對性地設(shè)計(jì)特地的散熱器就顯得很重要。例如新西蘭的一種用于通信電源系統(tǒng)的整流模塊Intergy R2948（48V/60A）單模塊輸出功率2900W，它所采納的風(fēng)冷散熱為前進(jìn)風(fēng)，斜上出風(fēng)方式，其散熱器為特地設(shè)計(jì)。它最突出的特點(diǎn)是散熱器上的散熱片均呈肯定的斜角，可將流過的空氣導(dǎo)向斜上方，這種流向符合熱空氣由下往上流淌的物理特性，這樣在相同散熱功率下，可以降低對空氣流速的要求。同時(shí)，散熱片為鑄鋁磨砂外型，表面粗糙度大，這種形狀在底流速的空氣中，更簡單使層流轉(zhuǎn)變成紊流，進(jìn)而提高換熱系數(shù)。綜合這兩種特性，可以大大提高散熱器的散熱效率，從而在相同功率輸出和其它外界條件下，降低了對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的要求，假如再實(shí)行風(fēng)扇隨功率輸出大小的無級調(diào)速，便可提高風(fēng)扇的壽命。而對整流模塊來說，風(fēng)扇的MTBF是全部元器件中最低的，始終都是制約整流模塊提高M(jìn)TBF的瓶頸，所以實(shí)行各種措施提高散熱效率來延長風(fēng)扇壽命就具有特別樂觀的意義。原華為電氣公司，現(xiàn)在的艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司的部分產(chǎn)品也有類似設(shè)計(jì)，說明這種設(shè)