開關電源功率器件熱設計
開關電(dian)源(yuan)發展(zhan)到今(jin)(jin)天(tian)，從以前的(de)(de)(de)(de)線(xian)性電(dian)源(yuan)，相控電(dian)源(yuan)組建發展(zhan)到現在的(de)(de)(de)(de)開關電(dian)源(yuan)，它伴隨著頻率(lv)的(de)(de)(de)(de)提高，效(xiao)率(lv)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)加，功率(lv)密度的(de)(de)(de)(de)提高，特別是開關電(dian)源(yuan)逐漸要求小(xiao)型(xing)化的(de)(de)(de)(de)今(jin)(jin)天(tian)，對開關電(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)熱分(fen)析的(de)(de)(de)(de)要求越來越高。
有(you)統計(ji)(ji)資料表明，電(dian)子元器件溫度每(mei)升高(gao)2℃，可(ke)(ke)靠(kao)性下降10％；溫升50℃時的(de)(de)(de)(de)壽(shou)命只有(you)溫升為25℃時的(de)(de)(de)(de)1/6。而(er)高(gao)頻開(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)這一(yi)類擁有(you)大功率(lv)(lv)發熱器件的(de)(de)(de)(de)設(she)(she)備(bei)，特別(bie)是(shi)(shi)功率(lv)(lv)器件更是(shi)(shi)開(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)發熱中的(de)(de)(de)(de)重(zhong)中之重(zhong)的(de)(de)(de)(de)器件，因(yin)此功率(lv)(lv)器件的(de)(de)(de)(de)熱設(she)(she)計(ji)(ji)愈加成為開(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)產品(pin)設(she)(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)鍵(jian)一(yi)環(huan)(huan)，熱設(she)(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)效果也直(zhi)接關(guan)(guan)系到開(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)能否長(chang)期正常、穩定地工作。熱設(she)(she)計(ji)(ji)是(shi)(shi)開(kai)關(guan)(guan)電(dian)源(yuan)設(she)(she)備(bei)結構(gou)設(she)(she)計(ji)(ji)中不(bu)可(ke)(ke)忽略的(de)(de)(de)(de)一(yi)個環(huan)(huan)節，直(zhi)接決定了(le)產品(pin)的(de)(de)(de)(de)成功與(yu)否，良好的(de)(de)(de)(de)熱設(she)(she)計(ji)(ji)是(shi)(shi)保(bao)證設(she)(she)備(bei)運行穩定可(ke)(ke)靠(kao)的(de)(de)(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(ta)的(de)功率器件(jian)發熱量(liang)級功耗有(you)一個好(hao)的(de)預估，這樣就對(dui)開關電源的(de)可靠性就有(you)一個良好(hao)的(de)保證。
1、開關電源功(gong)率器件熱設計流程(cheng)
在開關電(dian)源功率器件的(de)熱設(she)(she)計中，要有(you)一個好的(de)熱設(she)(she)計流程作(zuo)為(wei)指導，這樣(yang)才(cai)能(neng)做到(dao)工作(zuo)的(de)有(you)序化(hua)和(he)有(you)條不紊。圖1為(wei)功率器件熱設(she)(she)計流程圖
圖(tu)1 功率器件熱設計流程圖(tu)
2、功耗分析
下面我(wo)們(men)以反(fan)激(ji)式開關(guan)(guan)電源(yuan)(yuan)威力對開關(guan)(guan)電源(yuan)(yuan)功率器件的熱設計進行(xing)研(yan)究(jiu)，圖2為反(fan)激(ji)式開關(guan)(guan)電源(yuan)(yuan)得主電路拓撲圖
圖(tu)2 反激式開(kai)關電源主電路拓撲圖(tu)
（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(guan)在一個開(kai)關(guan)周(zhou)期內(nei)電(dian)壓電(dian)流(liu)波(bo)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
，而是以某一斜率逐漸下降或上升，這樣就會產生開關(guan)(guan)管(guan)(guan)的開通(tong)損(sun)耗與關(guan)(guan)斷損(sun)耗，由圖3的近似波形(xing)可知在開關(guan)(guan)管(guan)(guan)電(dian)壓上升過程中起電(dian)壓和電(dian)流分別為(wei)：
下降期間其(qi)電壓和電流分別為(wei)
開關管(guan)在開通階段的損耗為(wei)
開關管在關斷階段的損耗為
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)百毫安至數(shu)安培，考慮到
從而有：
開(kai)關管在導通階段的損耗為
開(kai)關(guan)管(guan)在截止期間的損耗為
一周期(qi)內開關管的平(ping)均(jun)損(sun)耗為(wei)
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(guan)性能決定的(de)。
（2）整流二極管的功耗
整(zheng)流二極管(guan)的功(gong)率損耗(hao)主要分為正向(xiang)導通功(gong)率損耗(hao)和反向(xiang)負壓時的功(gong)率損耗(hao)，圖4為二極管(guan)工作時的電(dian)壓和電(dian)流波形圖。
圖(tu)4 二極管在一個開關周期內(nei)電壓電流波形圖(tu)
正向導通(tong)損耗(hao)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(dang)二(er)次(ci)整流(liu)二(er)極管(guan)上的(de)電(dian)壓由(you)正(zheng)變(bian)負(fu)時，由(you)于(yu)二(er)極管(guan)內少(shao)數載流(liu)子的(de)存儲(chu)效應，二(er)極管(guan)中的(de)電(dian)流(liu)不會立即變(bian)為(wei)零(ling)，而是存在一(yi)個反向(xiang)截止(zhi)時間 ，同圖4可近似得到此時二(er)極管(guan)的(de)功率(lv)損耗為(wei)：
在(zai)一個(ge)周期內的平均(jun)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，
是由二極管(guan)性能決(jue)定的，可用專門的儀器(qi)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)熱(re)器的表面積、表面處理方(fang)式、散(san)熱(re)器表面空(kong)氣的風速、散(san)熱(re)器與周圍的溫度差有關。
在選用散熱(re)器時(shi)應(ying)把(ba)握以下幾個原則：
（1）肋片長(chang)度(du)適當增加能(neng)(neng)減小(xiao)器件結溫(wen)，但過分增加肋片長(chang)度(du)不(bu)能(neng)(neng)確保熱量(liang)傳(chuan)導到散熱器肋片的(de)末(mo)端，因此傳(chuan)熱受到影響，不(bu)能(neng)(neng)大(da)(da)大(da)(da)降低結溫(wen)，反而使散熱器重量(liang)增加太多。一(yi)般認為散熱器的(de)肋片長(chang)度(du)和基座寬度(du)之比接近1傳(chuan)熱較好
（2）肋片厚度(du)對(dui)散(san)熱效果沒有多大影響(xiang)
（3）肋片高度對散熱器散熱性能影響(xiang)較(jiao)大，但(dan)肋片高度過高，散熱器體(ti)(ti)積增加太多就(jiu)受到實(shi)際應用中散熱器可使用體(ti)(ti)積的限制
（4）肋片數目(mu)(mu)的增多可改善散熱效果(guo)，但超過某(mou)一(yi)數值就沒有什么變化，而且重量還易(yi)增加(jia)，因而不能(neng)盲(mang)目(mu)(mu)增加(jia)肋片的數目(mu)(mu)。
（5）散熱器一般都要進行(xing)煮黑(hei)氧化處理(li)。
當在實際應(ying)用中，給散熱器提供的空(kong)間不足以(yi)安裝(zhuang)熱阻(zu)小，體積(ji)較大的散熱器時就要采用風(feng)冷等冷卻方式，而在選擇風(feng)扇(shan)時，也要注意(yi)把握以(yi)下幾(ji)個(ge)原則：
（1）在(zai)功率允許(xu)的情況(kuang)下，盡可能(neng)選擇風(feng)量較大的風(feng)扇，與風(feng)量有關(guan)的因素包括風(feng)扇的大小，轉速等。
（2）風(feng)扇(shan)的(de)送風(feng)形式對散熱效果(guo)也有較大(da)的(de)影響，鼓風(feng)時產生(sheng)的(de)是(shi)紊流(liu)，風(feng)壓大(da)但容易受到(dao)阻(zu)力損(sun)失；抽風(feng)時產生(sheng)的(de)是(shi)層(ceng)(ceng)流(liu)，風(feng)壓小(xiao)但氣(qi)流(liu)穩定。理論上說，紊流(liu)的(de)換(huan)熱效率比(bi)層(ceng)(ceng)流(liu)大(da)得多，但是(shi)氣(qi)流(liu)的(de)運(yun)動與(yu)散熱片(pian)也有直接(jie)關系。在(zai)某些散熱片(pian)設計中（比(bi)如過于緊(jin)密(mi)的(de)鰭片(pian)），氣(qi)流(liu)受散熱片(pian)阻(zu)礙非(fei)常大(da)，此時采用(yong)抽風(feng)可能會有更好的(de)效果(guo)。因而在(zai)選(xuan)用(yong)時要注意。
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(de)可靠性及可用(yong)性都得(de)到(dao)保證。
5、結論
本文所提出的(de)開(kai)關電(dian)源功率(lv)器(qi)件的(de)熱(re)設計(ji)方(fang)法(fa)，在功耗(hao)計(ji)算（涉及(ji)到開(kai)關器(qi)件的(de)選(xuan)取、電(dian)路設計(ji)中參數(shu)的(de)選(xuan)擇等(deng)都有(you)明(ming)確的(de)方(fang)向與方(fang)法(fa)），散熱(re)器(qi)與冷卻(que)方(fang)式的(de)選(xuan)擇也(ye)提出了它(ta)的(de)原則，對開(kai)關電(dian)源功率(lv)器(qi)件的(de)熱(re)設計(ji)有(you)重要的(de)指(zhi)導作用(yong)。