開關電源功率器件熱設計
開關(guan)電(dian)源發展到今天(tian)，從(cong)以前(qian)的(de)線性電(dian)源，相控電(dian)源組建發展到現在的(de)開關(guan)電(dian)源，它伴(ban)隨(sui)著(zhu)頻(pin)率(lv)(lv)的(de)提高(gao)(gao)，效(xiao)率(lv)(lv)的(de)增加，功率(lv)(lv)密度(du)的(de)提高(gao)(gao)，特(te)別是開關(guan)電(dian)源逐(zhu)漸(jian)要(yao)求小型化的(de)今天(tian)，對開關(guan)電(dian)源的(de)熱分析的(de)要(yao)求越(yue)來越(yue)高(gao)(gao)。
有統計資(zi)料表明(ming)，電(dian)(dian)子元器件溫(wen)度每升高(gao)(gao)2℃，可靠(kao)性下降10％；溫(wen)升50℃時(shi)的(de)(de)(de)壽命只有溫(wen)升為(wei)25℃時(shi)的(de)(de)(de)1/6。而高(gao)(gao)頻開關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)這(zhe)一類擁有大功(gong)率發熱(re)器件的(de)(de)(de)設(she)(she)(she)(she)備(bei)，特別(bie)是(shi)功(gong)率器件更是(shi)開關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)發熱(re)中(zhong)的(de)(de)(de)重中(zhong)之重的(de)(de)(de)器件，因此功(gong)率器件的(de)(de)(de)熱(re)設(she)(she)(she)(she)計愈加成為(wei)開關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)產品設(she)(she)(she)(she)計的(de)(de)(de)關(guan)鍵一環(huan)，熱(re)設(she)(she)(she)(she)計的(de)(de)(de)效果也直接(jie)(jie)關(guan)系到(dao)開關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)能(neng)否長期正常、穩定(ding)地工(gong)作(zuo)。熱(re)設(she)(she)(she)(she)計是(shi)開關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)設(she)(she)(she)(she)備(bei)結構設(she)(she)(she)(she)計中(zhong)不可忽略的(de)(de)(de)一個環(huan)節，直接(jie)(jie)決定(ding)了產品的(de)(de)(de)成功(gong)與(yu)否，良好的(de)(de)(de)熱(re)設(she)(she)(she)(she)計是(shi)保證(zheng)設(she)(she)(she)(she)備(bei)運行穩定(ding)可靠(kao)的(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(jiu)得對它的功率器件(jian)發熱量級功耗(hao)有(you)一(yi)個(ge)好的預估，這樣就(jiu)對開關(guan)電源的可靠性(xing)就(jiu)有(you)一(yi)個(ge)良好的保證(zheng)。
1、開關(guan)電源功(gong)率器(qi)件(jian)熱(re)設計(ji)流程
在開關電(dian)源功(gong)率(lv)器件的熱(re)設(she)計中，要有一個(ge)好(hao)的熱(re)設(she)計流(liu)程作(zuo)(zuo)為指導，這樣才能做到工(gong)作(zuo)(zuo)的有序化和有條不紊。圖1為功(gong)率(lv)器件熱(re)設(she)計流(liu)程圖
圖1 功率器件(jian)熱設計流程圖
2、功耗分析
下面我(wo)們以反激式開關(guan)電源威力(li)對(dui)開關(guan)電源功率器件的熱(re)設計進行研究，圖(tu)2為反激式開關(guan)電源得主電路拓撲圖(tu)
圖2 反激式開關電源主(zhu)電路拓撲圖
（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(kai)關管在一個開(kai)關周(zhou)期內電(dian)(dian)壓(ya)電(dian)(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(shi)以某(mou)一斜率逐漸下降或上(shang)升，這(zhe)樣就(jiu)會產生開關(guan)管的開通損耗(hao)與關(guan)斷損耗(hao)，由圖3的近似(si)波形可知在開關(guan)管電(dian)(dian)壓上(shang)升過(guo)程(cheng)中起電(dian)(dian)壓和電(dian)(dian)流分別為：
下降期間其電壓(ya)和電流(liu)分別為
開(kai)關(guan)管在開(kai)通階(jie)段(duan)的損(sun)耗為
開關管在關斷階段的(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
約為數百(bai)毫安(an)至數安(an)培，考慮到
從而有：
開關管在導通階(jie)段的損(sun)耗(hao)為
開(kai)關管在截止期間的損耗為
一(yi)周期內(nei)開關(guan)管的平均損(sun)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(shi)際的開關管(guan)性能決(jue)定(ding)的。
（2）整流二極管的功耗
整流二(er)極管的(de)功率(lv)損(sun)耗主要(yao)分為正向導(dao)通功率(lv)損(sun)耗和(he)反向負壓(ya)時的(de)功率(lv)損(sun)耗，圖(tu)4為二(er)極管工(gong)作時的(de)電壓(ya)和(he)電流波形圖(tu)。
圖4 二極管在一個開關周期內電壓電流波(bo)形圖
正向導通損耗功率為：
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(dang)二(er)次(ci)整流(liu)(liu)(liu)二(er)極管上(shang)的電壓由正變負時(shi)，由于二(er)極管內少數載流(liu)(liu)(liu)子(zi)的存(cun)儲(chu)效應，二(er)極管中的電流(liu)(liu)(liu)不(bu)會立即(ji)變為零(ling)，而是存(cun)在(zai)一個反向截止時(shi)間 ，同圖4可近似得到此時(shi)二(er)極管的功率損耗為：
在一個周(zhou)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(shi)由二極管性能(neng)決(jue)定的，可用專門的儀器進行(xing)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)熱器(qi)的表面(mian)積、表面(mian)處理(li)方式、散(san)熱器(qi)表面(mian)空氣(qi)的風速、散(san)熱器(qi)與周(zhou)圍(wei)的溫度(du)差有關。
在選用散熱器時(shi)應把(ba)握以下幾個原則：
（1）肋(lei)片(pian)長度(du)(du)(du)適當(dang)增(zeng)加(jia)(jia)能減小器(qi)(qi)件(jian)結(jie)溫(wen)(wen)，但(dan)過(guo)分增(zeng)加(jia)(jia)肋(lei)片(pian)長度(du)(du)(du)不能確保熱(re)量傳導到散熱(re)器(qi)(qi)肋(lei)片(pian)的末端，因此傳熱(re)受到影(ying)響，不能大大降(jiang)低結(jie)溫(wen)(wen)，反而使散熱(re)器(qi)(qi)重量增(zeng)加(jia)(jia)太多(duo)。一般認為(wei)散熱(re)器(qi)(qi)的肋(lei)片(pian)長度(du)(du)(du)和基(ji)座(zuo)寬度(du)(du)(du)之比接近1傳熱(re)較好
（2）肋(lei)片厚度對散熱效果(guo)沒有(you)多大影響
（3）肋片高(gao)度對散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)散(san)(san)熱(re)(re)性(xing)能影響較大，但肋片高(gao)度過高(gao)，散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)體積增加太多就受到實際應用中散(san)(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)可使用體積的限制
（4）肋(lei)片數目(mu)的(de)增多可(ke)改善散熱(re)效果，但超過(guo)某(mou)一數值就沒有什么變(bian)化，而且重量(liang)還(huan)易(yi)增加(jia)，因而不能(neng)盲(mang)目(mu)增加(jia)肋(lei)片的(de)數目(mu)。
（5）散熱器一般(ban)都要進行(xing)煮黑氧化處(chu)理。
當在實際應用(yong)中，給散熱器提供的(de)空間(jian)不(bu)足以安裝(zhuang)熱阻小(xiao)，體積較大的(de)散熱器時就要采用(yong)風冷等冷卻(que)方式(shi)，而在選擇風扇時，也要注意把握以下幾個原則：
（1）在功率允許(xu)的(de)情況下，盡可能選擇(ze)風(feng)量較大的(de)風(feng)扇，與(yu)風(feng)量有(you)關的(de)因素包括風(feng)扇的(de)大小，轉速等。
（2）風(feng)(feng)(feng)扇的(de)(de)送風(feng)(feng)(feng)形式對散熱(re)(re)效果(guo)(guo)也(ye)有較大(da)的(de)(de)影響，鼓風(feng)(feng)(feng)時(shi)(shi)產生(sheng)的(de)(de)是(shi)(shi)紊流(liu)，風(feng)(feng)(feng)壓大(da)但容易受(shou)到阻力損(sun)失(shi)；抽風(feng)(feng)(feng)時(shi)(shi)產生(sheng)的(de)(de)是(shi)(shi)層(ceng)(ceng)流(liu)，風(feng)(feng)(feng)壓小(xiao)但氣流(liu)穩定。理論上說，紊流(liu)的(de)(de)換熱(re)(re)效率比層(ceng)(ceng)流(liu)大(da)得多，但是(shi)(shi)氣流(liu)的(de)(de)運動與散熱(re)(re)片(pian)也(ye)有直接關系(xi)。在某些散熱(re)(re)片(pian)設計中（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(ai)非常大(da)，此時(shi)(shi)采(cai)用(yong)抽風(feng)(feng)(feng)可(ke)能會有更好的(de)(de)效果(guo)(guo)。因而在選用(yong)時(shi)(shi)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靠性及(ji)可用性都得到(dao)保(bao)證。
5、結論
本文所(suo)提出的開關電源功(gong)率器(qi)件(jian)的熱(re)設(she)計(ji)方法，在功(gong)耗(hao)計(ji)算（涉及(ji)到開關器(qi)件(jian)的選取(qu)、電路設(she)計(ji)中參數(shu)的選擇等都有明(ming)確的方向與(yu)方法），散熱(re)器(qi)與(yu)冷卻(que)方式的選擇也提出了它的原則，對開關電源功(gong)率器(qi)件(jian)的熱(re)設(she)計(ji)有重要的指導(dao)作用。