高频变压器设计原理.doc_高频变压器设计资源-CSDN文库

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摘要：阐述了高频开关电源热设计的一般原则，着重分析了开关电源散热器的热结构设计。

关键词：高频开关电源；热设计；散热器

1 引言

 电子产品对工作温度一般均有严格的要求。电源设备部过高的温升将会导致对温度敏感的半导体器件、电解电容等元器件的失效。当温度超过一定值时，失效率呈指数规律增加。有统计资料表明，电子元器件温度每升高

2 发热控制设计

 开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管（如 MOSFET、IGBT、GTR、SCR 等），大功率二极管（如超快恢复二极管、肖特基二极管等），高频变压器、滤波电感等磁性元件以与假负载等。针对每一种发热元器件均有不同的控制发热量的方法。

2.1 减少功率开关的发热量

 开关管是高频开关电源中发热量较大的器件之一，减少它的发热量，不仅可以提高开关管自身的可靠性，而且也可以降低整机温度，提高整机效率和平均无故障时间（

制方式和缓冲技术来减少损耗，这种方法在开关频率越高时越能体现出优势来。如各种软开关技术，能让开关管在零电压、零电流状态下开通或关断，从而大大减少了这两种状态产生的损耗。而一些生产厂家从成本上考虑仍采用硬开关技术，则可以通过各种类型的缓冲技术来减少开关管的损耗，提高其可靠性。

2.2 减少功率二极管的发热量

 高频开关电源中，功率二极管的应用有多处，所选用的种类也不同。对于将输入 50Hz 交流电整流成直流电的功率二极管以与缓冲电路中的快恢复二极管，一般情况下均不会有更优的控制技术来减少损耗，只能通过选择高品质的器件，如采用导通压降更低的肖特基二极管或关断速度更快且软恢复的超快恢复二极管，来减少损耗，降低发热量。高频变压器二次侧的整流电路还可以采用同步整流方式，进一步减少整流压降损耗和发热量，但它们均会增加成本。所以生产厂家如何掌握性能与成本之间的平衡，达到性价比最高是个很值得研究的问题。

2.3 减少高频变压器与滤波电感等磁性元件的发热

 高频开关电源中不可缺少地应用了各种磁性元件，如滤波器中的扼流圈、储能滤波电感，隔离型的电源还有高频变压器。它们在工作中会产生或多或少的铜损、铁损，这些损耗以发热的方式散发出来。尤其是电感和变压器，线圈中所流的高频电流由于趋肤效应的影响，会使铜损成倍增加，这样电感、变压器所产生的损耗成为不可忽视的一部分。因此在设计上要采用多股细漆包线并联缠绕，或采用宽而薄的铜片缠绕，以降低趋肤效应造成的影响。磁芯一般选用高品质铁氧体材质，如日本生产的

2.4 减少假负载的发热量

 大功率开关电源为避免空载状态引起的电压升高，往往设有假负载——大功率电阻，带有源 PFC 单元的电源更是如此。开关电源工作时，假负载要通过少量电流，不但会降低开关电源的效率，而且其发热量也是影响整机热稳定性的因素。假负载在印制板（

3 散热设计

3.1 散热的基本方式与其计算方法

 散热有三种基本方式：热传导、对流换热和热辐射。

 1）热传导靠物体直接接触或物体部各部分之间发生的传热即是热传导。其机理是不同温度的物体或物体不同温度的各部分之间、分子动能的相互传递。热传导与电流的概念非常类似，热量总是从温度高的地方传导到温度低的地方，热传导过程中有热阻存在如同电流流动过程中有电阻一样。其热流量

 2）对流换热热量通过热传导的方式传给与它紧靠在一起的流体层，这层流体受热后，体积膨胀，密度变小，向上流动，周围的密度大的流体流过来填充，填充过来的流体吸热膨胀向上流动，如此循环，不断从发热元器件表面带走热量，这一过程称为对流换热。对流换热的计算一般采用牛顿所提出的公式：

时，热传递主要依靠互不相干的流层之间导热；而紊流时，则在紧贴壁面的层流底层之外，流体产生漩涡加强了热传递作用。一般而言，在其它条件相同情况下，紊流的换热系数比层流的换热系数大好几倍，甚至更多。

 3）热辐射由于温差引起的电磁波传播称为热辐射。它的过程比热传导和对流换热复杂得多。它是将物体的一部分热能转换成电磁波的能量，通过能传递电磁波的介质如空气、真空等，向四周传播出去，当遇到其它物体时，则一部分被吸收再转化为热能，剩下的则被反射回来。各种物体所散发出来的红外线，即是热辐射的一种。在真空或空气中，物体辐射出去的辐射能力

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3.2 开关电源中各发热源的主要散热方式

 开关电源中各发热源，如整流桥、功率开关管、快恢复二极管、磁性元件以与作为假负载的大功率电阻等，这些元器件所产生的热量必须设法散发出去，一般热设计所采用的散热方式主要是传导换热和对流换热。即所有发热元器件均先固定在散热器上，热量通过热传导方式传递给散热器，散热器上的热量再通过对流换热的方式由空气带出机箱。实际的散热情况为三种传热方式的综合，可以用牛顿公式来统一表达：

 通过 Φ=KSτ，我们可以在计算出耗散功率以后，根据允许温升 τ 来确定散热表面积 S，并由此而确定所要选用的散热器。这种计算对于提高开关电源的可靠性、功率密度、性价比等都有着重要意义。在相当多的情况下，生产厂家为了降低电源模块的成本，往往采用通用型的散热器，这些散热器的设计并不一定非常合适。对于特定的要求高可靠性的通信用高频开关电源来说，有针对性地设计专门的散热器就显得很重要。例如新西兰的一种用于通信电源系统的整流模块