開關電源功率器件熱設計
開(kai)關電(dian)源(yuan)(yuan)發展到今(jin)天，從以前的線性電(dian)源(yuan)(yuan)，相控電(dian)源(yuan)(yuan)組(zu)建發展到現在的開(kai)關電(dian)源(yuan)(yuan)，它伴(ban)隨著頻率的提高(gao)，效率的增(zeng)加，功率密(mi)度的提高(gao)，特別是開(kai)關電(dian)源(yuan)(yuan)逐漸要求小型化的今(jin)天，對(dui)開(kai)關電(dian)源(yuan)(yuan)的熱分(fen)析的要求越來越高(gao)。
有(you)(you)統(tong)計資料表明，電(dian)(dian)(dian)子元器件(jian)溫度每升高2℃，可靠性下(xia)降(jiang)10％；溫升50℃時(shi)的(de)壽(shou)命只有(you)(you)溫升為25℃時(shi)的(de)1/6。而高頻開(kai)關電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)這一類擁有(you)(you)大功率發熱(re)器件(jian)的(de)設(she)備(bei)(bei)，特別是(shi)(shi)功率器件(jian)更是(shi)(shi)開(kai)關電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)發熱(re)中(zhong)的(de)重中(zhong)之(zhi)重的(de)器件(jian)，因此功率器件(jian)的(de)熱(re)設(she)計愈加成為開(kai)關電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)產品設(she)計的(de)關鍵一環，熱(re)設(she)計的(de)效果也(ye)直接關系到開(kai)關電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)能否長期正常、穩定地工作。熱(re)設(she)計是(shi)(shi)開(kai)關電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)設(she)備(bei)(bei)結(jie)構設(she)計中(zhong)不可忽略(lve)的(de)一個環節(jie)，直接決定了產品的(de)成功與否，良好的(de)熱(re)設(she)計是(shi)(shi)保(bao)證(zheng)設(she)備(bei)(bei)運行穩定可靠的(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]，首先就得對它的功(gong)率器(qi)件發熱量級(ji)功(gong)耗有(you)(you)一個好(hao)的預估(gu)，這樣(yang)就對開關電源的可靠(kao)性就有(you)(you)一個良好(hao)的保證。
1、開(kai)關電源功率器件熱設計流程
在(zai)開關電(dian)源功率器(qi)件(jian)的熱設(she)計(ji)中，要(yao)有一個好的熱設(she)計(ji)流(liu)程(cheng)作為指(zhi)導，這樣才能做到工作的有序化和有條不紊。圖(tu)1為功率器(qi)件(jian)熱設(she)計(ji)流(liu)程(cheng)圖(tu)
圖1 功率(lv)器件熱設(she)計流程圖
2、功耗分析
下面(mian)我們以反激式開關電源(yuan)(yuan)威力對開關電源(yuan)(yuan)功(gong)率器(qi)件的熱設計進行研究，圖2為反激式開關電源(yuan)(yuan)得主電路(lu)拓撲圖
圖2 反激式開關電(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3 開關(guan)(guan)管在(zai)一個開關(guan)(guan)周期內電壓電流波(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(shi)以某(mou)一(yi)斜率逐漸下(xia)降或上(shang)(shang)升，這樣就會產生開(kai)(kai)關管的開(kai)(kai)通(tong)損耗與關斷損耗，由圖3的近(jin)似波(bo)形(xing)可知在開(kai)(kai)關管電(dian)壓上(shang)(shang)升過(guo)程中(zhong)起電(dian)壓和電(dian)流(liu)分別為：
下降期(qi)間(jian)其電壓和電流(liu)分別(bie)為
開關管(guan)在開通階(jie)段(duan)的損(sun)耗為
開關管在(zai)關斷階(jie)段的損(sun)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(wei)數(shu)百毫安至(zhi)數(shu)安培，考慮到(dao)
從而有：
開關管(guan)在導通階段的損耗為
開關管在截(jie)止期間的損耗為
一周期內開關管的平均損耗為(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(you)實際的開關管(guan)性能決定的。
（2）整流二極管的功耗
整流(liu)二極(ji)管的(de)功(gong)率(lv)損耗主要分為正向(xiang)導(dao)通功(gong)率(lv)損耗和反向(xiang)負壓時的(de)功(gong)率(lv)損耗，圖(tu)(tu)4為二極(ji)管工(gong)作時的(de)電壓和電流(liu)波形圖(tu)(tu)。
圖4 二極管在(zai)一個開關周(zhou)期(qi)內電壓電流波形圖
正(zheng)向導通損耗功率為(wei)：
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。
當二次整流(liu)二極管(guan)上的(de)(de)電(dian)壓(ya)由正變負時，由于二極管(guan)內少數載流(liu)子的(de)(de)存儲效應，二極管(guan)中的(de)(de)電(dian)流(liu)不(bu)會(hui)立即變為零(ling)，而是存在一個反向截止時間 ，同圖(tu)4可近(jin)似得到此時二極管(guan)的(de)(de)功率(lv)損(sun)耗為：
在一個周期內的(de)平均熱(re)功(gong)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(er)極管性(xing)能決(jue)定的，可用專門(men)的儀器進行(xing)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)(san)熱(re)器的(de)(de)表面(mian)積(ji)、表面(mian)處理方式(shi)、散(san)(san)熱(re)器表面(mian)空氣的(de)(de)風(feng)速、散(san)(san)熱(re)器與周(zhou)圍(wei)的(de)(de)溫(wen)度差有關。
在選用散熱器(qi)時應把握以下(xia)幾(ji)個原則：
（1）肋(lei)片(pian)(pian)長(chang)度適當增(zeng)加能(neng)減小器(qi)(qi)件結溫(wen)(wen)，但過(guo)分增(zeng)加肋(lei)片(pian)(pian)長(chang)度不能(neng)確保熱(re)(re)量傳(chuan)導到散熱(re)(re)器(qi)(qi)肋(lei)片(pian)(pian)的(de)末端，因此傳(chuan)熱(re)(re)受(shou)到影(ying)響，不能(neng)大大降(jiang)低(di)結溫(wen)(wen)，反而(er)使散熱(re)(re)器(qi)(qi)重量增(zeng)加太多。一(yi)般(ban)認(ren)為散熱(re)(re)器(qi)(qi)的(de)肋(lei)片(pian)(pian)長(chang)度和(he)基座寬度之(zhi)比接近1傳(chuan)熱(re)(re)較(jiao)好(hao)
（2）肋(lei)片厚度對散熱(re)效(xiao)果沒有多大(da)影響
（3）肋片高度對散(san)熱(re)器散(san)熱(re)性能影響較大(da)，但(dan)肋片高度過高，散(san)熱(re)器體積(ji)增加太多就受到實(shi)際(ji)應(ying)用中散(san)熱(re)器可(ke)使用體積(ji)的限制
（4）肋(lei)片數(shu)目(mu)的(de)增多可(ke)改善(shan)散熱效果，但(dan)超(chao)過某一數(shu)值(zhi)就(jiu)沒(mei)有什(shen)么變化，而且(qie)重量(liang)還(huan)易增加(jia)，因而不(bu)能(neng)盲目(mu)增加(jia)肋(lei)片的(de)數(shu)目(mu)。
（5）散熱器一般都要進行煮(zhu)黑氧化處理。
當在實際應用中，給散熱(re)器提供的(de)(de)空間不足以(yi)安裝熱(re)阻小，體積較大的(de)(de)散熱(re)器時就要采用風(feng)冷等(deng)冷卻方式(shi)，而在選(xuan)擇風(feng)扇時，也(ye)要注意把握以(yi)下幾個原(yuan)則：
（1）在功率允(yun)許(xu)的情(qing)況下，盡可能選擇風(feng)量(liang)較大的風(feng)扇，與風(feng)量(liang)有關的因素包括(kuo)風(feng)扇的大小，轉速等(deng)。
（2）風(feng)(feng)扇的(de)送風(feng)(feng)形式對散熱(re)(re)效(xiao)(xiao)果(guo)也(ye)有較大(da)(da)的(de)影(ying)響，鼓風(feng)(feng)時產生的(de)是(shi)(shi)紊流(liu)(liu)，風(feng)(feng)壓大(da)(da)但(dan)容易受到阻力損失(shi)；抽(chou)風(feng)(feng)時產生的(de)是(shi)(shi)層流(liu)(liu)，風(feng)(feng)壓小但(dan)氣流(liu)(liu)穩定。理論上說，紊流(liu)(liu)的(de)換熱(re)(re)效(xiao)(xiao)率比(bi)層流(liu)(liu)大(da)(da)得多，但(dan)是(shi)(shi)氣流(liu)(liu)的(de)運動與散熱(re)(re)片也(ye)有直接關系。在某些散熱(re)(re)片設計中（比(bi)如過于緊密的(de)鰭片），氣流(liu)(liu)受散熱(re)(re)片阻礙非常大(da)(da)，此時采用(yong)抽(chou)風(feng)(feng)可能會有更好的(de)效(xiao)(xiao)果(guo)。因(yin)而(er)在選用(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，從而使開關電源的可(ke)靠性及可(ke)用性都得到(dao)保(bao)證。
5、結論
本文所提出的(de)(de)開關電源功率(lv)器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)熱設(she)計方法，在功耗計算（涉及(ji)到開關器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)選(xuan)取、電路(lu)設(she)計中參數的(de)(de)選(xuan)擇等(deng)都有(you)明(ming)確的(de)(de)方向與方法），散熱器(qi)(qi)與冷卻方式(shi)的(de)(de)選(xuan)擇也提出了(le)它的(de)(de)原則，對開關電源功率(lv)器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)熱設(she)計有(you)重要的(de)(de)指導(dao)作用。