開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)分析

開關(guān)電源發(fā)展到今日，從從前的線性電源、相控電源發(fā)展到此刻的開關(guān)電源，它陪伴著頻次的提升，效率的增添，功率密度的提升，特別是開關(guān)電源漸漸要求小型化的今日，對(duì)開關(guān)電源的熱剖析的要求愈來(lái)愈高。有統(tǒng)計(jì)資料表示，電子元器件溫度每高升2℃，靠譜性降落10%元器件溫升為50C時(shí)的壽命只有溫升為25C時(shí)的1/6。而高頻開關(guān)電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設(shè)施，溫度更是影響其靠譜性的重要要素，所以熱設(shè)計(jì)更加成為開關(guān)電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)一環(huán)，熱設(shè)計(jì)的成效百接關(guān)系到開關(guān)電源可否長(zhǎng)久正常、穩(wěn)固工作的重要要素。熱設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)施構(gòu)造設(shè)計(jì)中不行忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接決定產(chǎn)品的成功與否，優(yōu)秀的熱設(shè)計(jì)是保證設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)固靠譜的基礎(chǔ)。熱設(shè)計(jì)一般都跟著開關(guān)電源的初步設(shè)計(jì)開始，而一個(gè)好的熱設(shè)計(jì)對(duì)開關(guān)電源內(nèi)部元件的布局和冷卻方式的選擇有很好的指導(dǎo)意義。

[2]，第一就得對(duì)它的主要發(fā)熱元件的功耗有一個(gè)比較正確的預(yù)估，這樣就開關(guān)電源的構(gòu)造圖1是開關(guān)電源常用的主電路拓?fù)洹Ｔ陂_關(guān)電源中主要發(fā)熱器件是開關(guān)管、整流二極管、變壓器及電感等。開關(guān)管的功耗開關(guān)管的工作過程[1]分為四個(gè)階段，即開通階段、關(guān)斷階段、導(dǎo)通階段、截止階段。圖2是開關(guān)管工作過程時(shí)的電壓電流波形。設(shè)各個(gè)階段的時(shí)間挨次為tr，tf，ton，toff，在圖中采納了分段折線辦理，實(shí)質(zhì)的電壓電流波形比這復(fù)雜。計(jì)算開關(guān)管的功耗能夠?qū)⑦@四個(gè)階段功耗加起來(lái)即為開關(guān)管在一個(gè)周期的功耗總和。在開關(guān)管截止時(shí)期，集電極電壓uCECi，(Ui為一次整流濾波后的直流電壓)，集電極電流iC=I=U≈UCO(ICO為集電極漏電流)。開關(guān)管導(dǎo)通后，集電極電流從IC1增大到IC2，集電極電壓uCB=UCBS（UCBS為飽和壓降）。在開關(guān)管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的電壓上漲時(shí)期，或是由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的電壓降落時(shí)期，開關(guān)管的電流其實(shí)不是立刻降落至ICO或上漲至IC2，而是以某一斜率漸漸降落或上漲，這樣就會(huì)產(chǎn)生開關(guān)管的開通消耗與關(guān)斷消耗，由圖2的近似波形可知在開關(guān)管電壓上漲過程中電壓和電流分別為：iCr=Ic0+(IC1-IC0)t/trUCEr=UC-(UC-UCES)t/tr降落時(shí)期其電壓和電流分別為：iCF=IC2-(IC2-IC0)t/tfuCEF=UCES+(UC-UCES)t/tf開關(guān)管在開通階段的消耗為開關(guān)管在關(guān)斷階段的消耗為實(shí)質(zhì)上，當(dāng)前大功率開關(guān)管生產(chǎn)工藝已較成熟，即便在晶體管表面溫度達(dá)到100℃時(shí)[見參獻(xiàn)文件[3]，UCES約為1～3V，IC0約～1mA，而，一般U為220V溝通電直接整流濾波后的直流電壓，其值為300V左右，而IC約為數(shù)百毫安至數(shù)安培，考慮到UC≈UiiUC﹥﹥UCES,IC1﹥﹥ICO,IC2﹥﹥IC0進(jìn)而有W≈IUt，W≈IUtrC1CrfC2C開關(guān)管在導(dǎo)通階段的消耗為開關(guān)管在截止階段的消耗為Woff=IC0UCtoff一周期內(nèi)開關(guān)管的均勻消耗為當(dāng)脈沖變壓器電感量L最夠大時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)期集電極電流變化不大，IC1≈IC2=IC，可得PC=1/T[IC0UCtoff+ICUCESton+ICUC(tr+tf)]整流二極管的功耗整流二極管的功率消耗主要分為正導(dǎo)游通功率消耗和反向截止時(shí)的功率消耗，圖3為二極管工作時(shí)的電壓和電流波形圖。正導(dǎo)游通消耗功率為WP=IDUDtD此中正導(dǎo)游通電流ID較大，但正導(dǎo)游通壓降UD約為～，tD為正導(dǎo)游通時(shí)間。當(dāng)二次整流二極管上的電壓由正變負(fù)時(shí)，因?yàn)槎O管內(nèi)少量載流子的儲(chǔ)存效應(yīng)，二極管中的電流不會(huì)立刻變成零，而是存在一個(gè)反向截止時(shí)間tR(見圖3)，可近似獲取此時(shí)二極管的功率消耗為變壓器及電感的功耗盡人皆知，變壓器與電感構(gòu)造基真同樣，這里主要議論電感消耗。電感消耗包含雙方面：其一是與磁芯有關(guān)的消耗，即鐵損；其二是與電感繞組有關(guān)的消耗，即銅損。等效模型如圖4所示。磁芯消耗包含磁滯消耗和渦流消耗，其值可經(jīng)過計(jì)算B，而后依據(jù)電感數(shù)據(jù)手冊(cè)，確立出磁芯消耗。獲取B的方法有兩種門路：一是根據(jù)電感數(shù)據(jù)手冊(cè)的計(jì)算公式，B=K×L×i(t)×，IDC此中K為常量。二是△B為繞組上電壓與時(shí)間的乘積與電感匝數(shù)和有效截面積之比，即B(t)=UL×ton/A開關(guān)電源中的高頻溝通電，會(huì)產(chǎn)生電流的趨膚效應(yīng)，繞組的實(shí)質(zhì)電阻會(huì)隨頻次的提升而增大，大于RDC，即有一個(gè)溝通電阻。所以，在計(jì)算銅損時(shí)就包含兩個(gè)方面的消耗，直流電阻產(chǎn)生的消耗和溝通電阻產(chǎn)生的消耗。直流電阻RDC，電感的數(shù)據(jù)手冊(cè)已給出，溝通電阻可經(jīng)過求基波浸透深度和繞組線徑求得。設(shè)繞組的線徑為扎基波浸透深度為r，則RAC/RDC=πd2/πd2-π(d-r)2電感的銅損為Pcu=PRDC+PRC=I2DC×RDC+I2ACRMS×RACIDC已知，

，I為電感的紋波電流，

IACRMS為溝通電流的均方根值，

PRAC為溝通電阻的耗費(fèi)功率，

PRDC為直流電阻上耗費(fèi)功率，

Uin為變壓器輸入端的電壓。結(jié)論