開關電源功率器件熱設計
開關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)發(fa)展到今(jin)天，從以前的(de)(de)線性電(dian)源(yuan)，相控電(dian)源(yuan)組建(jian)發(fa)展到現在的(de)(de)開關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)，它伴隨著頻率(lv)的(de)(de)提高，效率(lv)的(de)(de)增(zeng)加，功率(lv)密度的(de)(de)提高，特(te)別是(shi)開關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)逐漸要求小型化的(de)(de)今(jin)天，對開關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)的(de)(de)熱分析的(de)(de)要求越來(lai)越高。
有(you)(you)統計(ji)(ji)資料表明(ming)，電(dian)子元器(qi)件(jian)溫度每(mei)升(sheng)高2℃，可(ke)靠性下(xia)降10％；溫升(sheng)50℃時的(de)(de)(de)壽命(ming)只有(you)(you)溫升(sheng)為(wei)25℃時的(de)(de)(de)1/6。而高頻開(kai)(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)這一類擁有(you)(you)大(da)功率(lv)(lv)發(fa)熱(re)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)設(she)(she)(she)(she)備(bei)，特別(bie)是(shi)功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)更是(shi)開(kai)(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)發(fa)熱(re)中的(de)(de)(de)重中之重的(de)(de)(de)器(qi)件(jian)，因(yin)此功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)熱(re)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)愈加成為(wei)開(kai)(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)產品(pin)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)關(guan)鍵一環(huan)(huan)，熱(re)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)效果也直(zhi)接關(guan)系到開(kai)(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)能(neng)否長期正常、穩(wen)定(ding)(ding)地工作。熱(re)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)是(shi)開(kai)(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)設(she)(she)(she)(she)備(bei)結構設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)中不(bu)可(ke)忽略的(de)(de)(de)一個環(huan)(huan)節(jie)，直(zhi)接決定(ding)(ding)了產品(pin)的(de)(de)(de)成功與否，良(liang)好的(de)(de)(de)熱(re)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)是(shi)保證設(she)(she)(she)(she)備(bei)運行(xing)穩(wen)定(ding)(ding)可(ke)靠的(de)(de)(de)基礎(chu)。
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(shou)先就得對它(ta)的功率器件發熱量級功耗有一個(ge)好的預估，這(zhe)樣就對開關電源的可靠性就有一個(ge)良好的保(bao)證。
1、開關(guan)電源功率器件熱設計流(liu)程
在開(kai)關電源功(gong)率器件(jian)的(de)熱設計(ji)中，要有一個好的(de)熱設計(ji)流程(cheng)作為指導(dao)，這(zhe)樣(yang)才能做到工作的(de)有序化和有條不紊。圖1為功(gong)率器件(jian)熱設計(ji)流程(cheng)圖
圖1 功率器件熱(re)設計流(liu)程圖
2、功耗分析
下面(mian)我(wo)們以反激式開關(guan)電(dian)(dian)源威力對開關(guan)電(dian)(dian)源功率(lv)器件的熱設計進行(xing)研究，圖(tu)2為(wei)反激式開關(guan)電(dian)(dian)源得主電(dian)(dian)路拓撲(pu)圖(tu)
圖2 反激式開(kai)關電(dian)源主電(dian)路拓撲圖
（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(tu)3 開關(guan)管(guan)在一個開關(guan)周(zhou)期內電(dian)壓電(dian)流波(bo)形圖(tu)
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(shi)以某一(yi)斜率逐(zhu)漸下(xia)降或(huo)上(shang)升，這(zhe)樣就會(hui)產生(sheng)開關管的開通損(sun)耗(hao)與關斷損(sun)耗(hao)，由圖3的近似波形(xing)可知在(zai)開關管電(dian)壓上(shang)升過程(cheng)中起(qi)電(dian)壓和電(dian)流分別為：
下降(jiang)期間其電壓和電流分別為
開關管在開通階段(duan)的損耗為
開(kai)關(guan)管在關(guan)斷階段的(de)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(wei)數百(bai)毫安至數安培，考慮到
從而有：
開關管在導通階段的損耗(hao)為
開關管在截止期(qi)間的損耗為(wei)
一周期內開關管的平均損耗為
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(ji)的(de)開關管性(xing)能決(jue)定的(de)。
（2）整流二極管的功耗
整流(liu)二極管的功率損耗(hao)主(zhu)要分為正(zheng)向導(dao)通功率損耗(hao)和反(fan)向負壓(ya)時的功率損耗(hao)，圖4為二極管工作時的電壓(ya)和電流(liu)波形圖。
圖(tu)4 二極管在一個開關周期內電(dian)(dian)壓電(dian)(dian)流波形圖(tu)
正向(xiang)導通損耗功率為：
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)次整流(liu)二(er)(er)極(ji)管(guan)(guan)(guan)上(shang)的電壓由(you)正變負時(shi)，由(you)于二(er)(er)極(ji)管(guan)(guan)(guan)內少數載流(liu)子的存儲效應，二(er)(er)極(ji)管(guan)(guan)(guan)中的電流(liu)不會(hui)立即變為零，而是存在(zai)一個反向截止時(shi)間 ，同圖4可(ke)近似得到此(ci)時(shi)二(er)(er)極(ji)管(guan)(guan)(guan)的功率損耗(hao)為：
在一個周期(qi)內的(de)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，
是由二極(ji)管性能(neng)決定的，可(ke)用專門的儀器進行測量(liang)。
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(san)(san)熱器(qi)的(de)(de)表面積、表面處(chu)理方(fang)式、散(san)(san)熱器(qi)表面空(kong)氣的(de)(de)風速、散(san)(san)熱器(qi)與周圍的(de)(de)溫度差有關。
在選用散熱器時應(ying)把握(wo)以下幾(ji)個原則：
（1）肋片長度(du)適當增(zeng)(zeng)加能減小器件結(jie)溫(wen)，但過分(fen)增(zeng)(zeng)加肋片長度(du)不能確保熱(re)量傳導到散熱(re)器肋片的(de)末端，因此傳熱(re)受到影(ying)響(xiang)，不能大大降低結(jie)溫(wen)，反而使散熱(re)器重量增(zeng)(zeng)加太多。一般認為散熱(re)器的(de)肋片長度(du)和基座寬度(du)之(zhi)比接近(jin)1傳熱(re)較(jiao)好
（2）肋片(pian)厚度(du)對散熱效(xiao)果沒有多大影(ying)響
（3）肋片高度(du)對散熱(re)器(qi)散熱(re)性能(neng)影響較大，但(dan)肋片高度(du)過高，散熱(re)器(qi)體積增(zeng)加(jia)太多就(jiu)受到實際應(ying)用中散熱(re)器(qi)可(ke)使用體積的限(xian)制
（4）肋片數(shu)目(mu)的增多可改善散(san)熱效果(guo)，但超(chao)過某一數(shu)值就(jiu)沒(mei)有什么變化，而(er)且重量還(huan)易增加(jia)，因而(er)不能盲目(mu)增加(jia)肋片的數(shu)目(mu)。
（5）散熱器(qi)一(yi)般都要進(jin)行煮黑氧化處理。
當在實際應用中，給(gei)散熱器提供的(de)空(kong)間(jian)不(bu)足以安裝熱阻小，體積較大的(de)散熱器時(shi)就要(yao)采用風(feng)冷(leng)等冷(leng)卻方式，而(er)在選擇(ze)風(feng)扇時(shi)，也(ye)要(yao)注意把握以下幾個(ge)原則：
（1）在功率允許的(de)(de)情(qing)況下(xia)，盡(jin)可能選擇風量較大的(de)(de)風扇(shan)，與風量有關(guan)的(de)(de)因素包(bao)括(kuo)風扇(shan)的(de)(de)大小，轉速等(deng)。
（2）風扇的(de)(de)(de)送(song)風形(xing)式(shi)對散熱(re)(re)(re)效(xiao)(xiao)果(guo)(guo)也有較(jiao)大的(de)(de)(de)影響，鼓風時(shi)產生的(de)(de)(de)是(shi)(shi)(shi)紊(wen)流(liu)，風壓大但容(rong)易受到(dao)阻力(li)損失；抽風時(shi)產生的(de)(de)(de)是(shi)(shi)(shi)層流(liu)，風壓小但氣流(liu)穩定。理論上說，紊(wen)流(liu)的(de)(de)(de)換(huan)熱(re)(re)(re)效(xiao)(xiao)率比層流(liu)大得(de)多，但是(shi)(shi)(shi)氣流(liu)的(de)(de)(de)運(yun)動與散熱(re)(re)(re)片(pian)(pian)也有直接關(guan)系。在(zai)某些(xie)散熱(re)(re)(re)片(pian)(pian)設計中(zhong)（比如過(guo)于緊密的(de)(de)(de)鰭片(pian)(pian)），氣流(liu)受散熱(re)(re)(re)片(pian)(pian)阻礙非常(chang)大，此(ci)時(shi)采(cai)用(yong)抽風可(ke)能(neng)會有更好的(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)果(guo)(guo)。因而在(zai)選用(yong)時(shi)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，從而使開關電源的可(ke)靠性及(ji)可(ke)用性都(dou)得到保(bao)證。
5、結論
本文所(suo)提出的(de)開關(guan)電源(yuan)功率器件(jian)(jian)的(de)熱(re)(re)設(she)計(ji)方法，在功耗計(ji)算（涉(she)及到開關(guan)器件(jian)(jian)的(de)選(xuan)取、電路設(she)計(ji)中(zhong)參數的(de)選(xuan)擇等都有(you)明確的(de)方向與方法），散熱(re)(re)器與冷卻方式(shi)的(de)選(xuan)擇也提出了它的(de)原(yuan)則，對(dui)開關(guan)電源(yuan)功率器件(jian)(jian)的(de)熱(re)(re)設(she)計(ji)有(you)重要的(de)指導(dao)作用。