開關電源功率器件熱設計
開(kai)關(guan)電源發展到今天(tian)(tian)，從以(yi)前的(de)線性電源，相(xiang)控電源組建發展到現在的(de)開(kai)關(guan)電源，它伴隨(sui)著頻率(lv)的(de)提(ti)高(gao)，效率(lv)的(de)增加(jia)，功率(lv)密度的(de)提(ti)高(gao)，特(te)別是開(kai)關(guan)電源逐(zhu)漸要求(qiu)小型(xing)化的(de)今天(tian)(tian)，對開(kai)關(guan)電源的(de)熱(re)分(fen)析(xi)的(de)要求(qiu)越(yue)來越(yue)高(gao)。
有統(tong)計(ji)資料表明，電(dian)子(zi)元(yuan)器(qi)件(jian)溫度每升(sheng)高2℃，可靠性下降(jiang)10％；溫升(sheng)50℃時的壽命(ming)只有溫升(sheng)為25℃時的1/6。而(er)高頻開關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)這一類擁有大功(gong)率發熱(re)(re)(re)器(qi)件(jian)的設(she)(she)備，特別是功(gong)率器(qi)件(jian)更是開關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)發熱(re)(re)(re)中(zhong)的重中(zhong)之重的器(qi)件(jian)，因此功(gong)率器(qi)件(jian)的熱(re)(re)(re)設(she)(she)計(ji)愈加(jia)成為開關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)產品設(she)(she)計(ji)的關(guan)鍵(jian)一環，熱(re)(re)(re)設(she)(she)計(ji)的效果也直接(jie)關(guan)系到開關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)能否(fou)長(chang)期正常、穩定地工(gong)作。熱(re)(re)(re)設(she)(she)計(ji)是開關(guan)電(dian)源(yuan)(yuan)設(she)(she)備結構設(she)(she)計(ji)中(zhong)不可忽略的一個環節(jie)，直接(jie)決定了(le)產品的成功(gong)與否(fou)，良(liang)好的熱(re)(re)(re)設(she)(she)計(ji)是保證設(she)(she)備運行穩定可靠的基礎(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]，首先就(jiu)(jiu)得對(dui)它的功率器(qi)件發(fa)熱量(liang)級功耗有一(yi)個(ge)好的預估，這樣(yang)就(jiu)(jiu)對(dui)開關電(dian)源的可靠性就(jiu)(jiu)有一(yi)個(ge)良好的保證。
1、開關電源功率器(qi)件熱(re)設計流程
在開(kai)關電源功率器件(jian)的(de)熱設計(ji)中，要有(you)(you)(you)一個好(hao)的(de)熱設計(ji)流程作為(wei)指導，這樣(yang)才能做到工作的(de)有(you)(you)(you)序(xu)化和(he)有(you)(you)(you)條(tiao)不紊。圖1為(wei)功率器件(jian)熱設計(ji)流程圖
圖(tu)1 功率器件(jian)熱設(she)計流程(cheng)圖(tu)
2、功耗分析
下面我們以(yi)反(fan)激式開關電(dian)(dian)源威力對開關電(dian)(dian)源功率器件的熱設計進行研(yan)究，圖2為反(fan)激式開關電(dian)(dian)源得主電(dian)(dian)路(lu)拓撲圖
圖2 反激式(shi)開(kai)關電源主電路(lu)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3 開關管在一個開關周期(qi)內電(dian)壓(ya)電(dian)流波形圖
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
，而是以某一(yi)斜率逐漸下降或(huo)上(shang)升，這(zhe)樣就會產生開關(guan)管(guan)的(de)開通損耗與關(guan)斷損耗，由圖3的(de)近似(si)波形可知(zhi)在開關(guan)管(guan)電(dian)壓上(shang)升過程中起電(dian)壓和電(dian)流(liu)分(fen)別(bie)為：
下降期間其電(dian)壓和(he)電(dian)流分別(bie)為
開關管在開通階段的損耗(hao)為
開關管(guan)在關斷階段的(de)損耗(hao)為
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
約為數(shu)百毫安至(zhi)數(shu)安培(pei)，考(kao)慮(lv)到
從而有：
開(kai)關管在導(dao)通(tong)階段的(de)損耗(hao)為
開關管(guan)在(zai)截止期(qi)間的損耗為
一周期內開關(guan)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(you)實際的開關管性能決(jue)定的。
（2）整流二極管的功耗
整(zheng)流二極管(guan)的(de)功(gong)率損(sun)(sun)耗(hao)主要分為(wei)正(zheng)向(xiang)導通功(gong)率損(sun)(sun)耗(hao)和(he)反向(xiang)負壓時的(de)功(gong)率損(sun)(sun)耗(hao)，圖(tu)4為(wei)二極管(guan)工作(zuo)時的(de)電壓和(he)電流波形圖(tu)。
圖4 二極(ji)管在一個開關周期內電壓電流波形圖
正(zheng)向導通損耗功率(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(dang)二次整流二極(ji)(ji)管(guan)上的(de)電壓(ya)由正變負(fu)時，由于二極(ji)(ji)管(guan)內(nei)少數載流子(zi)的(de)存儲效應，二極(ji)(ji)管(guan)中的(de)電流不(bu)會(hui)立即變為(wei)零，而是存在(zai)一(yi)個反向截止時間 ，同圖4可近(jin)似(si)得(de)到此時二極(ji)(ji)管(guan)的(de)功率(lv)損耗(hao)為(wei)：
在一個周期內的平(ping)均熱(re)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(jue)定的，可用專門的儀器進行測量。
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(san)熱(re)器(qi)(qi)的表(biao)面(mian)積(ji)、表(biao)面(mian)處理方式、散(san)熱(re)器(qi)(qi)表(biao)面(mian)空氣(qi)的風速、散(san)熱(re)器(qi)(qi)與周圍的溫度差有關(guan)。
在選(xuan)用散(san)熱器時應把握以下幾個原則(ze)：
（1）肋片(pian)長(chang)度(du)適(shi)當增加(jia)(jia)能減小器件結溫(wen)，但過(guo)分增加(jia)(jia)肋片(pian)長(chang)度(du)不能確保熱(re)(re)(re)量傳(chuan)導到散(san)(san)熱(re)(re)(re)器肋片(pian)的末端，因此傳(chuan)熱(re)(re)(re)受到影響，不能大大降(jiang)低結溫(wen)，反而使散(san)(san)熱(re)(re)(re)器重量增加(jia)(jia)太多。一般認(ren)為散(san)(san)熱(re)(re)(re)器的肋片(pian)長(chang)度(du)和(he)基座寬(kuan)度(du)之(zhi)比接(jie)近1傳(chuan)熱(re)(re)(re)較好
（2）肋(lei)片(pian)厚度對散(san)熱效果沒有多大(da)影響(xiang)
（3）肋(lei)片高度對(dui)散(san)熱(re)(re)器(qi)散(san)熱(re)(re)性能影響較大(da)，但肋(lei)片高度過(guo)高，散(san)熱(re)(re)器(qi)體積增加(jia)太多就受(shou)到實際應用中散(san)熱(re)(re)器(qi)可(ke)使用體積的(de)限制
（4）肋片(pian)數目的(de)增(zeng)多可(ke)改善散熱效果，但(dan)超過某一數值(zhi)就沒有什么變化(hua)，而且重量(liang)還易增(zeng)加，因(yin)而不能盲目增(zeng)加肋片(pian)的(de)數目。
（5）散熱(re)器一般都要(yao)進行煮黑氧化(hua)處理。
當在(zai)實(shi)際應用(yong)(yong)中，給(gei)散熱(re)器提供的(de)空間不足以安(an)裝熱(re)阻小，體積較大(da)的(de)散熱(re)器時就(jiu)要采用(yong)(yong)風(feng)冷等冷卻(que)方式，而在(zai)選擇風(feng)扇(shan)時，也要注意(yi)把握以下幾個原則：
（1）在功率允許的(de)情況下，盡(jin)可能選擇風(feng)量較大的(de)風(feng)扇，與風(feng)量有關(guan)的(de)因素包括風(feng)扇的(de)大小，轉速(su)等。
（2）風(feng)扇的送風(feng)形式對散(san)熱效果(guo)也有(you)較大(da)的影響，鼓(gu)風(feng)時(shi)產生的是紊(wen)流(liu)(liu)，風(feng)壓大(da)但(dan)容易(yi)受到阻力損失(shi)；抽風(feng)時(shi)產生的是層流(liu)(liu)，風(feng)壓小(xiao)但(dan)氣(qi)流(liu)(liu)穩定。理論(lun)上(shang)說，紊(wen)流(liu)(liu)的換熱效率比(bi)層流(liu)(liu)大(da)得多，但(dan)是氣(qi)流(liu)(liu)的運動(dong)與(yu)散(san)熱片(pian)也有(you)直接關系。在(zai)某些散(san)熱片(pian)設計中(zhong)（比(bi)如過于(yu)緊密的鰭片(pian)），氣(qi)流(liu)(liu)受散(san)熱片(pian)阻礙非常(chang)大(da)，此(ci)時(shi)采用抽風(feng)可(ke)能(neng)會(hui)有(you)更好的效果(guo)。因(yin)而在(zai)選(xuan)用時(shi)要(yao)注意。
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靠性及可用性都得到(dao)保(bao)證。
5、結論
本文所(suo)提出(chu)的(de)開(kai)關電源(yuan)功率器(qi)(qi)件的(de)熱設(she)(she)計(ji)方(fang)法，在(zai)功耗計(ji)算（涉及到開(kai)關器(qi)(qi)件的(de)選取、電路設(she)(she)計(ji)中參數(shu)的(de)選擇等都有明確的(de)方(fang)向(xiang)與方(fang)法），散(san)熱器(qi)(qi)與冷卻(que)方(fang)式(shi)的(de)選擇也提出(chu)了它的(de)原則(ze)，對開(kai)關電源(yuan)功率器(qi)(qi)件的(de)熱設(she)(she)計(ji)有重(zhong)要的(de)指導作(zuo)用(yong)。