開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)

1、散熱設(shè)計(jì)1開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)散熱設(shè)計(jì)2散熱設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)的熱分布及風(fēng)冷氣流計(jì)算機(jī)機(jī)箱風(fēng)冷時的熱分布每超過室溫10度，元器件的壽命將下降一半散熱設(shè)計(jì)3效率n輸入輸出電壓高，容易高效n額定功率大，容易高效n高效的變壓器尺寸較大n中小功率范圍內(nèi)，效率很難超越95%n2W以下的功率等級，70%已經(jīng)很高nCMOS好于TTL散熱設(shè)計(jì)4散熱途徑傳導(dǎo)、對流、輻射。傳導(dǎo)、對流、輻射。高溫高溫 低溫低溫?zé)釟馍闲猩嵩O(shè)計(jì)5常用元器件的允許工作溫度元器件名稱元器件名稱表面允許溫度表面允許溫度元器件名稱元器件名稱表面允許溫度表面允許溫度碳膜電阻碳膜電阻120瓷介電容瓷介電容8085金屬膜電阻金屬膜電阻100玻璃釉電容玻

2、璃釉電容100壓制線繞電阻壓制線繞電阻150鍺晶體管鍺晶體管70100涂釉線繞電阻涂釉線繞電阻225硅晶體管硅晶體管150200紙介電容紙介電容7585硒整流器硒整流器7585電解電容電解電容6085電子管電子管15200薄膜電容薄膜電容60130變壓器、扼流圈變壓器、扼流圈95散熱設(shè)計(jì)6熱阻概念RPdTjR 自然大氣空間TadajdPTTPTRoC / W熱阻溫度差/熱源功率串并聯(lián)方法與電阻相同串并聯(lián)方法與電阻相同散熱設(shè)計(jì)7熱量單位參數(shù)熱量單位參數(shù)單位電模擬電模擬單位時間時間ts時間時間ts溫度差溫度差Td電勢差電勢差PdV熱阻熱阻R/W電阻電阻R熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率KW/電導(dǎo)率電導(dǎo)率S熱能熱能Pq

3、J電能電能PJ熱流熱流QJ/s(W)電流電流IA熱容量熱容量ChJ/電容電容CF散熱設(shè)計(jì)8 (1)選用耐熱性和熱穩(wěn)定性好的元器件和材料，以提高其允許的工作溫度。如選用耐熱性能較好的硅三極管取代熱性能較差的鍺三極管、觸點(diǎn)材料盡量以鉑銀取代銅。 (2)減小電源內(nèi)部的發(fā)熱量。為此，應(yīng)盡量選用小功率執(zhí)行元件，如用晶體管代替真空管，選用小功率變壓器或者不用變壓器，多選用微功耗器件并在電路設(shè)計(jì)中盡量減少發(fā)熱元器件的數(shù)量，選取熱負(fù)荷時應(yīng)留有適當(dāng)?shù)膬淞俊?(3)用冷卻的方法降低環(huán)境溫度加快散熱速度。在室溫下，對熱阻的要求不大于30W時, 可不考慮散熱問題。對熱阻的要求在5W - 4W時, 可用叉指形散熱器散

4、熱。在4oCW一0.2oCW時，可用型材散熱器。在1W一0.05W時，可用強(qiáng)制風(fēng)冷。在0.1oCW一0.02oCW時，可用水冷。當(dāng)對熱阻的要求低于0.02W時，可考慮用熱管. 散熱設(shè)計(jì)的要求散熱設(shè)計(jì)9 一般地，三極管的PC(max) 是在保持管殼溫度Ta=25不變，Tj達(dá)到150條件下確定的功耗值，因此可用下式 /W求出R(max)cajPTTRR越大，一定結(jié)溫下Pcmax散熱設(shè)計(jì)10常見封裝外殼的熱阻元件要向大氣散發(fā)熱量，其熱阻是Rc-a ，To-220型熱阻為60/w，不采用散熱器時，功率封裝只能耗散最大功率的5%以下，包括表面貼裝時以PCB板散熱的情況。散熱設(shè)計(jì)11常見封裝外殼的熱阻(續(xù)

5、)To-3P為40/w，To-3為30/w，散熱設(shè)計(jì)12器件手冊里的相關(guān)參數(shù)散熱設(shè)計(jì)13傳導(dǎo)散熱n1、導(dǎo)熱體傳導(dǎo)(導(dǎo)熱定律)nK-熱導(dǎo)率nA-截面積nL-導(dǎo)熱路徑長度LTKAQKKALR 散熱設(shè)計(jì)14各種材料的熱導(dǎo)率(W/cmC)材料材料鋁鋁純銅純銅鐵鐵三氧化二三氧化二鋁鋁熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率K1.553.980.590.36材料材料塑料塑料水水空氣空氣硅脂硅脂熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率K0.0050.00670.000260.002散熱設(shè)計(jì)15傳導(dǎo)散熱n2、界面?zhèn)鲗?dǎo)nhi-界面的熱導(dǎo)系數(shù)n與光潔度、表面受壓大小、填充材料有關(guān)TAhQi散熱設(shè)計(jì)16接觸熱阻( )參考數(shù)據(jù)R(C-S)墊片材料 墊片厚度 接觸熱阻R(C

6、-S) (oC/W)加硅脂 無硅脂 無墊片鋁泊銅泊云母聚酯薄膜氧化鈹瓷片氧化鋁瓷片氮化硼瓷片0.020.030.120.024.01.881.50.240.40.60-0.610.30-0.310.50.46-0.490.330.28-0.300.30-0.320.80.97-1.040.65-0.681.00-1.16散熱設(shè)計(jì)17 RJC RDBCTjRsolder1Rheat-sinkTfluidRfluidRsolder2散熱設(shè)計(jì)18器件的熱阻等效電路PdTjTCTaR(j-C)R(C-a)R(C-S)R(S-a)自然大氣空間結(jié)到外殼外殼到空氣外殼到散熱器散熱器到空氣散熱設(shè)計(jì)19常見散熱

7、片平板式 燕翅式注意放置方式散熱設(shè)計(jì)20散熱器的散熱類型1. 自冷式散熱器2. 風(fēng)冷式散熱器3. 水冷式散熱器4. 沸騰式散熱器5. 熱管散熱器對流換熱系數(shù)為( 6 -13) X 4.18 X 103 J/h.m2.K 常用于額定電流小于20A的器件或簡單裝置中的大電流器件.對流換熱系數(shù)為(35 - 62) X 4.18 X 103 J/h.m2.K 是自冷式散熱器效率的2-4倍. 常用于額定電流在50A-500A的器件中.對流換熱系數(shù)為(2000) X 4.18 X 103 J/h.m2.K 是自冷式散熱器效率的150-300倍. 常用于額定電流在500A以上的器件中. 需解決好水質(zhì)和凝露問

8、題.對流換熱系數(shù)為(3000 -7000) X 4.18 X 103 J/h.m2.K 其等效導(dǎo)熱率相當(dāng)于同幾何尺寸實(shí)心銅導(dǎo)熱率的380倍. 熱管是一種新型高效的傳熱元件, 因它利用了沸騰吸熱和凝結(jié)放熱兩種最強(qiáng)烈的傳熱機(jī)理, 因而表現(xiàn)出優(yōu)異的傳熱特性. 即傳熱效率高和沿軸向的等溫性好. 其散熱效率是比同質(zhì)量的銅散熱器大2-3個數(shù)量級.散熱設(shè)計(jì)21熱管的原理熱管的原理熱管(英文名：Heat Pipe 1963年美國LOS ALAMOS國家實(shí)驗(yàn)室G.M.GROVER在應(yīng)用物理雜志命名),是一種導(dǎo)熱性能力特別強(qiáng)的導(dǎo)熱管元件，傳熱效率比同樣材質(zhì)的純銅高出數(shù)千倍。熱管工作原理說明：熱管管內(nèi)的液體受熱汽化

9、；汽化了的飽和蒸汽向冷端流動；飽和蒸汽在冷端冷凝放出熱量；冷凝液體回到熱端繼續(xù)吸熱汽化。散熱設(shè)計(jì)22HEAT SINK VOLUME (in3)熱阻R(S-a) (oC/W)熱阻與散熱器容積的關(guān)系熱阻與散熱器容積的關(guān)系, 自然對流和強(qiáng)迫風(fēng)冷自然對流和強(qiáng)迫風(fēng)冷發(fā)熱量增大到兩倍，散熱器體積要增大到四倍散熱設(shè)計(jì)23散熱器(Heat Sink)熱阻( )估算公式R(S-a)CAkdCRaS650105 . 0)(式中, K為散熱器熱導(dǎo)率, d 和A 分別是HEAT SINK 的厚度和面積, 分別以cm 和cm2表示. C是修正因子. 此式在空氣溫度不超過45oC時成立.散熱器的修正因子取值散熱器的修正

10、因子取值安裝角度 表面光潔 表面黑化 垂 直 0.85 0.43 水 平 1.0 0.5散熱設(shè)計(jì)24散熱器的選擇方法2. 最大外殼溫度)(maxmaxCjdjCRPTT3. 散熱器熱阻計(jì)算(R(C-S)+R(S-a) =R(C-a)daCaCPTTRmax)(1. 器件的損耗功率(Pd)開關(guān)損耗 PS通態(tài)損耗 PON斷態(tài)損耗 POFF驅(qū)動損耗 PGATE散熱設(shè)計(jì)25器件損耗功率(Pd)的一般計(jì)算通態(tài)功耗 PONMOSFETforDRIPDUIPyDSDSONyonCON2對感性負(fù)載SoffonMdSfttIUP)(2對阻性負(fù)載SoffonMdSfttIUP)(6開關(guān)功耗 PS斷態(tài)損耗 POFF

11、 一般忽略驅(qū)動損耗 PGATE 根據(jù)不同器件確定吸收回路的損耗 根據(jù)具體的吸收回路及其參數(shù)而定MOSFET 、IGBT等壓控器件的驅(qū)動損耗要小于電流型驅(qū)動器件 散熱設(shè)計(jì)26Vgs開通損耗散熱設(shè)計(jì)27關(guān)斷損耗散熱設(shè)計(jì)28散熱器的選擇實(shí)例一DC/DC電源的功率晶體管, 其工作電流20A, 電壓100V, 開關(guān)頻率fS為10kHz, 占空比Dy為0.5, R(j-c)為0.5oC/W, 通態(tài)管壓降為1V, 開和關(guān)的時間為1s和2 s, 環(huán)境溫度25oC時, 管的結(jié)溫不超過155oC, 直接安裝在無硅油的散熱器上, 要求選配合適的散熱器. (2) 通態(tài)損耗 PONyonCONDUIP= 10 W(3)

12、 斷態(tài)損耗 POFF 忽略(4) 驅(qū)動損耗 PGATE 忽略TOTAL Pd = PS + PON = 40 W(5) 總損耗 Pd(1) 開關(guān)損耗 PSSoffonMdSfttIUP)(2 = 30 W1. 器件功耗散熱設(shè)計(jì)29散熱器的選擇實(shí)例(續(xù))2. 最大外殼溫度)(maxmaxCjdjCRPTT= 155 - 40 X 0.5 = 135 oC3. 散熱器熱阻計(jì)算(R(C-S)+R(S-a) = R(C-a)daCaCPTTRmax)(= 75. 24025135(oC/W)查表得R(C-S)為0.33oC/W, 故R(S-a) =2.42oC/W 散熱設(shè)計(jì)30散熱器的選擇的注意點(diǎn)1.

13、 在保證散熱要求的前提下,盡量選用體積小、重量輕的散熱器。2. 安裝時,盡量增大器件和散熱器的接觸面積和壓力，用硅脂涂在接觸面上。注意安裝的方式和方向。3. 散熱器表面應(yīng)粗糙，但與器件接觸面要有好的光潔度，涂黑。4. 管子與機(jī)殼絕緣時，應(yīng)使散熱器與機(jī)殼絕緣，不僅采用電絕緣片。5. 密封情況下，要注意沒有對流。6. 風(fēng)冷時的風(fēng)道設(shè)計(jì)。散熱設(shè)計(jì)31輻射散熱4241TTfeAQT1-高溫物體溫度T2-低溫物體溫度e-輻射率（無量綱）f-視野系數(shù)（無量綱）A-高溫物體表面積-斯特凡一玻爾茲曼常數(shù)散熱設(shè)計(jì)32幾種材料的輻射率（100C）n鋁（工業(yè)薄板）：鋁（工業(yè)薄板）：0.09n鋁（氧化）：鋁（氧化）：

14、0.33n鋁（噴白漆）：鋁（噴白漆）：0.94n鋁（噴黑漆）：鋁（噴黑漆）：0.94n鐵（磨光）：鐵（磨光）：0.140.38n鐵（噴黑漆）：鐵（噴黑漆）：0.8散熱設(shè)計(jì)33對流散熱n1、自然對流TAhQchc-對流散熱系數(shù)1、垂直平板；2、水平平板；3、小間隙；4、渦流。AhRc1散熱設(shè)計(jì)34對流散熱n2、強(qiáng)制風(fēng)冷APTCFQF-空氣流量（cm3/s）；與風(fēng)速有關(guān)-空氣密度（g/cm3）；CP-空氣比熱。散熱設(shè)計(jì)35對流散熱n3、強(qiáng)制水冷APTCFQF-水流量（cm3/s）；與水速有關(guān)-水密度（g/cm3）；CP-水比熱。相同體積下相同體積下,水帶走的熱量是風(fēng)的水帶走的熱量是風(fēng)的28倍倍散熱

15、設(shè)計(jì)36安裝方式n回路布局n功率電阻n電解電容n變壓器和線圈n功率半導(dǎo)體（安裝力矩）n大電流導(dǎo)線散熱設(shè)計(jì)37電子元器件的降額處理n電子元器件失效取決于電應(yīng)力和溫度！n電阻：降功率；n電容：降電壓；n半導(dǎo)體：降功耗。散熱設(shè)計(jì)38電阻：n30秒平均功率不超過額定的50%；n電壓不超過額定的80%；n對線繞電阻： 30秒平均功率不超過額定的30%；n不低于額定的10%；散熱設(shè)計(jì)39電容：n紙、薄膜、云母：60%；n玻璃釉、瓷介：50%；n固體鉭電容：45%；n液體鉭電容：70%.；n鋁電解：60%70%散熱設(shè)計(jì)40IRFP450的降額曲線散熱設(shè)計(jì)41瞬態(tài)熱阻抗r(tp)tp(s)RtrZp)(Where Z為瞬態(tài)熱阻, R為穩(wěn)態(tài)熱阻散熱設(shè)計(jì)42Waveform of JunctionTemperature Rise(T A = Reference Temp.)Load ConditionWaveform of Power Loss at JunctionContinuos LoadSingle Load PulseShort train of Load pulse(Equal amplitude)負(fù)載電流形式與結(jié)溫關(guān)系散熱設(shè)計(jì)43Waveform of JunctionTemperature Rise(T A = Ref