浅析高频开关电源的热设计
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2020-10-24
01:22:09
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浅析高频开关电源的热设计浅析高频开关电源的热设计
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。
1 引言
电子产品对工作温度一般均有严格的要求。电源设备内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℃，可靠性下降10％；
温升50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6。所以电子设备均会遇到控制整个机箱及内部元器件温升的要求，这就是电子设备
的热设计。而
2 发热控制设计
开关电源中主要的发热元器件为半导体
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（MTBF）。开关管在正常工作时，呈开通、关断两种状态，所产生的损耗可细分
成两种临界状态产生的损耗和导通状态产生的损耗。其中导通状态的损耗由开关管本身的通态电阻决定。可以通过选择低通态
电阻的开关管来减少这种损耗。MOSFET的通态电阻较IGBT的大，但它的工作频率高，因此仍是开关电源设计的首选器件。
现在IR公司新推出的IRL3713系列HEXFET(六角形场效应晶体管)功率MOSFET已将通态电阻做到3mΩ，从而使这些器件具有
更低的传导损失、栅电荷和开关损耗。美国APT公司也有类似的产品。开通和关断两种临界状态的损耗也可通过选择开关速度
更快、恢复时间更短的器件来减少。但更为重要的则是通过设计更优的控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
及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
TDK磁性材料。型号的选择上要留有一定的余量，防止出现磁饱和。
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（PCB）上的位置往往与输出滤波用的电解电容靠得很近，而电解电容对温度极为敏感。因此很有必要降低假负载的
发热量。比较可行的办法是将假负载设计成阻抗可变方式。通过对开关电源输出电流的检测来控制假负载阻抗的大小，当电源
处于正常负载时，假负载退出消耗电流状态；空载时，假负载消耗电流最大。这样既不会影响电源空载时的稳定性，也不会降
低电源的效率和产生大量不必要的热量。
3 散热设计
3.1 散热的基本方式及其计算方法
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内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 [W]，式中Rt为热阻，τ为温度差。而热阻Rt= [K/W]，式中δ为导体厚度，λ为热导率，A为导体截面积。这样，在开关
电源设计中，可以由发热源的耗散功率，求出温升τ=ΦRt。由于实际应用中，热流量从热源出发到达散热器往往要经过几种不
同材料的热导体，即存在不同热阻的串联，在计算时，总热阻为多个热阻的和。
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：Φ=αA(θ1－θ2)[W]，其中A为与流体接触的壁面面积[m2]，α为
对流换热系数，θ1为壁面温度[K]，θ2为流体平均温度[K]。由此可见，热流量Φ与对流换热系数α，截面积A及固体表面与流体
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