開關電源功率器件熱設計
開(kai)(kai)關電(dian)(dian)(dian)源發展到今(jin)天，從以前(qian)的(de)(de)(de)(de)線性電(dian)(dian)(dian)源，相控電(dian)(dian)(dian)源組建發展到現在的(de)(de)(de)(de)開(kai)(kai)關電(dian)(dian)(dian)源，它(ta)伴隨著頻率的(de)(de)(de)(de)提(ti)高，效率的(de)(de)(de)(de)增加，功(gong)率密(mi)度的(de)(de)(de)(de)提(ti)高，特別是(shi)開(kai)(kai)關電(dian)(dian)(dian)源逐漸要求小型化(hua)的(de)(de)(de)(de)今(jin)天，對(dui)開(kai)(kai)關電(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)(de)(de)熱分析的(de)(de)(de)(de)要求越來越高。
有(you)統計(ji)資料表明，電(dian)子元器(qi)(qi)件溫度每升高2℃，可(ke)靠性下降(jiang)10％；溫升50℃時(shi)(shi)的(de)(de)壽命只有(you)溫升為(wei)25℃時(shi)(shi)的(de)(de)1/6。而高頻開(kai)(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)這一(yi)類(lei)擁有(you)大功率發熱(re)(re)器(qi)(qi)件的(de)(de)設(she)(she)備，特(te)別是功率器(qi)(qi)件更是開(kai)(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)發熱(re)(re)中(zhong)(zhong)的(de)(de)重中(zhong)(zhong)之重的(de)(de)器(qi)(qi)件，因此功率器(qi)(qi)件的(de)(de)熱(re)(re)設(she)(she)計(ji)愈加成為(wei)開(kai)(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)產品設(she)(she)計(ji)的(de)(de)關(guan)(guan)鍵(jian)一(yi)環，熱(re)(re)設(she)(she)計(ji)的(de)(de)效果也直接(jie)關(guan)(guan)系到(dao)開(kai)(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)能否長期正常、穩定地工作。熱(re)(re)設(she)(she)計(ji)是開(kai)(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)設(she)(she)備結(jie)構設(she)(she)計(ji)中(zhong)(zhong)不可(ke)忽略的(de)(de)一(yi)個環節，直接(jie)決定了產品的(de)(de)成功與否，良好的(de)(de)熱(re)(re)設(she)(she)計(ji)是保證設(she)(she)備運行穩定可(ke)靠的(de)(de)基礎。
熱設計一般都伴隨著開關電源的初步設計開始，而一個好的熱設計[2]，首先就得對(dui)它的(de)(de)功(gong)率器(qi)件發熱量級(ji)功(gong)耗有(you)一個好的(de)(de)預估，這樣(yang)就對(dui)開(kai)關(guan)電源的(de)(de)可靠性就有(you)一個良(liang)好的(de)(de)保證。
1、開關電源功率器件(jian)熱(re)設計(ji)流程
在開關電源(yuan)功(gong)率器件的熱(re)設計(ji)中，要有一(yi)個好(hao)的熱(re)設計(ji)流程作為(wei)指導(dao)，這樣才能(neng)做到工作的有序(xu)化(hua)和有條不紊。圖(tu)1為(wei)功(gong)率器件熱(re)設計(ji)流程圖(tu)
圖(tu)1 功率器件熱設(she)計流程圖(tu)
2、功耗分析
下面我們以反(fan)激(ji)式開關(guan)電(dian)源(yuan)威力對開關(guan)電(dian)源(yuan)功率器件的熱(re)設計(ji)進(jin)行研究，圖2為(wei)反(fan)激(ji)式開關(guan)電(dian)源(yuan)得主(zhu)電(dian)路拓撲圖
圖2 反激式開關電(dian)(dian)源主電(dian)(dian)路拓(tuo)撲圖
（1）開關管的功耗
我們知道，開關管的工作過程[1]分為四個階段即開通階段、關斷階段、導通階段、截止階段。圖3是開關管工作過程時的電壓電流波形。設各個階段時間依次為tr,tf,ton,toff,在圖中采取了分段折線處理，實際的電壓電流波形比這復雜。計算開關管的功耗可以將這四個階段功耗加起來極為開關管在一個周期的功耗總和。在開關管截止期間，集電極電壓
（
為一次整流濾波后的直流電壓），集電極電流
（
為集電極漏電流）。開關管導通后，集電極電流從IC1增大到IC2，集電極電壓
（
為飽和壓降）。
圖3 開(kai)關(guan)管在(zai)一個開(kai)關(guan)周期內電壓(ya)電流(liu)波(bo)形(xing)圖
在開關管由截止轉為導通的電壓上升期間，或是由導通轉為截止的電壓下降期間，開關管的電流并不是立即下降到
或上升到
，而是以某(mou)一斜(xie)率逐漸下降或上升，這樣(yang)就會產生開關管的開通損(sun)耗與(yu)關斷(duan)損(sun)耗，由圖3的近似(si)波形可知在開關管電(dian)(dian)壓上升過程中起電(dian)(dian)壓和(he)電(dian)(dian)流分別為：
下降(jiang)期間其電壓和電流分別為(wei)
開(kai)關管在開(kai)通階段的(de)損耗為
開關(guan)管(guan)在關(guan)斷(duan)階(jie)段(duan)的損耗為(wei)
實際上，目前大功率開關管生產工藝已較成熟，即使在晶體管[3]表面溫度達到100℃時，
約1-3V，約0.5-1Ma，而
，一般
為220V交流電直接整流濾波后的直流電壓，其值為300V左右，而
約(yue)為數(shu)百毫安至數(shu)安培，考慮到
從而有：
開關(guan)管在導通階段的損(sun)耗為(wei)
開(kai)關管在截止(zhi)期間的損耗為
一周期內開關(guan)管的平均損耗(hao)為
當脈沖變壓器電感量L足夠大時，開關管導通期間集電極電流變化不大，
，可得：
通常在實際的電路中，
在開關電源參數設計階段都可以確定，
是由實際的(de)開關管性能決(jue)定的(de)。
（2）整流二極管的功耗
整流二(er)極管的功(gong)率(lv)損耗主要分為正向(xiang)導通功(gong)率(lv)損耗和(he)反(fan)向(xiang)負壓(ya)時的功(gong)率(lv)損耗，圖4為二(er)極管工作時的電壓(ya)和(he)電流波(bo)形圖。
圖4 二(er)極管在一個開(kai)關周(zhou)期內電(dian)壓電(dian)流(liu)波形圖
正(zheng)向導通損(sun)耗功率(lv)為：
其中正向導通電流ID較大，但正向導通壓降VD約為0.6～0.7V，tD為正向導通時間。
當二(er)(er)(er)次整流(liu)二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管(guan)上的電壓由(you)正變(bian)負時，由(you)于二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管(guan)內少數(shu)載流(liu)子的存儲效應，二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管(guan)中的電流(liu)不會立即變(bian)為(wei)零，而是存在一個反(fan)向截止時間 ，同圖4可近似得到此時二(er)(er)(er)極(ji)(ji)管(guan)的功率(lv)損耗為(wei)：
在一個周期內(nei)的平均熱功率
通常在實際的電路中，
在開關電源參數設計階段都可以確定，
是由(you)二極管性能決定的，可用專門的儀器(qi)進行測量。
3、散熱器及冷卻方式的選取
設功率器件工作環境溫度最高為Ta，功率器件最大允許結溫為
，功率器件內部熱阻
(PN結接部與外殼封裝)，確定絕緣墊熱阻抗
（減小接觸熱阻[2]可以采取的措施有：加大接觸面之間的壓力，提高接觸面的加工精度， 接觸表面之間加導熱襯墊，一般而言在接觸面涂敷硅脂可使接觸熱阻降低（20～50）%），確定接觸熱阻
（它可以通過功率器件外殼類型與功率器件與散熱器的安裝條件（比如是否加墊片，是否涂硅脂，采用何種材料墊片等），查閱相關手冊也可得到相應的接觸熱阻值），則散熱阻抗
這就可根據在具體開關電源中可以使用的散熱器的體積來決定是選用體積大，熱阻小的散熱器還是選用體積小，熱阻稍大然后再加上風冷等冷卻方式來使散熱器的熱阻減小，我們知道，散熱器熱阻抗與散熱(re)器的表面積(ji)、表面處理(li)方式、散熱(re)器表面空氣的風(feng)速、散熱(re)器與周圍的溫度差有關。
在選(xuan)用散熱器時應(ying)把(ba)握(wo)以(yi)下幾個原則：
（1）肋片(pian)長(chang)(chang)度(du)適當增加能(neng)減小(xiao)器件結(jie)溫，但過分增加肋片(pian)長(chang)(chang)度(du)不能(neng)確保熱(re)(re)量傳(chuan)(chuan)導(dao)到(dao)散(san)(san)熱(re)(re)器肋片(pian)的末端，因(yin)此傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)受到(dao)影響(xiang)，不能(neng)大(da)大(da)降低(di)結(jie)溫，反(fan)而使散(san)(san)熱(re)(re)器重(zhong)量增加太多(duo)。一般認為散(san)(san)熱(re)(re)器的肋片(pian)長(chang)(chang)度(du)和(he)基座寬度(du)之(zhi)比接近1傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)較(jiao)好(hao)
（2）肋片(pian)厚度(du)對散熱(re)效果沒有多大影響
（3）肋片高度(du)對散(san)熱(re)(re)器(qi)散(san)熱(re)(re)性能影響較大，但肋片高度(du)過高，散(san)熱(re)(re)器(qi)體積增加太多就(jiu)受到實際應用中散(san)熱(re)(re)器(qi)可(ke)使用體積的限制
（4）肋(lei)片數(shu)目的(de)增(zeng)多可改善散熱效果，但超過(guo)某一數(shu)值(zhi)就沒(mei)有什么(me)變化，而且重(zhong)量還易增(zeng)加(jia)，因而不能盲目增(zeng)加(jia)肋(lei)片的(de)數(shu)目。
（5）散(san)熱器一(yi)般都要進行煮黑氧化處(chu)理。
當在實(shi)際(ji)應用中，給散(san)熱(re)器提供的(de)空間不足(zu)以安裝熱(re)阻小，體積較大的(de)散(san)熱(re)器時(shi)就要采用風(feng)冷等(deng)冷卻方式，而在選擇風(feng)扇時(shi)，也要注意把(ba)握以下幾個(ge)原則：
（1）在功率允許(xu)的(de)情況下，盡可能選擇風(feng)量較大的(de)風(feng)扇，與風(feng)量有關的(de)因素包括(kuo)風(feng)扇的(de)大小，轉速等(deng)。
（2）風(feng)(feng)扇的(de)(de)送(song)風(feng)(feng)形式(shi)對散熱(re)(re)效果也有較大(da)的(de)(de)影響，鼓(gu)風(feng)(feng)時產生的(de)(de)是紊流(liu)，風(feng)(feng)壓(ya)(ya)大(da)但(dan)容易受(shou)到(dao)阻力損失(shi)；抽(chou)(chou)風(feng)(feng)時產生的(de)(de)是層(ceng)流(liu)，風(feng)(feng)壓(ya)(ya)小但(dan)氣流(liu)穩定。理(li)論上(shang)說，紊流(liu)的(de)(de)換(huan)熱(re)(re)效率比層(ceng)流(liu)大(da)得多，但(dan)是氣流(liu)的(de)(de)運動與散熱(re)(re)片(pian)也有直接關系。在某些散熱(re)(re)片(pian)設計(ji)中（比如過于緊密的(de)(de)鰭片(pian)），氣流(liu)受(shou)散熱(re)(re)片(pian)阻礙非常大(da)，此時采用抽(chou)(chou)風(feng)(feng)可能會有更(geng)好的(de)(de)效果。因而在選(xuan)用時要注(zhu)意(yi)。
4、可行性判定
在設計的最后階段，就綜合考慮開關電源的熱設計與電氣設計、電磁兼容設計是否發生沖突，如果發生沖突的話就要采取折中的方法，各自犧牲一些指標，從而使開關電源的(de)可靠性及可用性都得到(dao)保證。
5、結論
本(ben)文所提出的(de)開關電(dian)源功(gong)率器(qi)件的(de)熱(re)設(she)計(ji)方法，在功(gong)耗計(ji)算（涉及到開關器(qi)件的(de)選取、電(dian)路設(she)計(ji)中參數的(de)選擇等都有(you)明確的(de)方向(xiang)與(yu)方法），散熱(re)器(qi)與(yu)冷卻方式的(de)選擇也提出了它(ta)的(de)原則，對開關電(dian)源功(gong)率器(qi)件的(de)熱(re)設(she)計(ji)有(you)重要的(de)指導作(zuo)用。