開關電源功率器件熱設計
開關電源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)發(fa)展到(dao)今天(tian)，從以前的線(xian)性電源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，相控(kong)電源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)組建發(fa)展到(dao)現在的開關電源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)，它(ta)伴隨著頻率的提高，效率的增加，功率密度(du)的提高，特(te)別是開關電源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)逐漸要(yao)求(qiu)小型化的今天(tian)，對開關電源(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)的熱分析(xi)的要(yao)求(qiu)越(yue)來越(yue)高。
有統計(ji)資料表明，電(dian)子(zi)元器(qi)件(jian)溫度(du)每升(sheng)高2℃，可(ke)靠(kao)性下降10％；溫升(sheng)50℃時的(de)壽命只(zhi)有溫升(sheng)為(wei)25℃時的(de)1/6。而高頻開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)這一類擁有大功率(lv)(lv)發熱(re)(re)器(qi)件(jian)的(de)設備(bei)(bei)，特別是功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)更是開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)發熱(re)(re)中(zhong)的(de)重中(zhong)之重的(de)器(qi)件(jian)，因此功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)的(de)熱(re)(re)設計(ji)愈加成(cheng)為(wei)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)產品(pin)設計(ji)的(de)關(guan)鍵(jian)一環，熱(re)(re)設計(ji)的(de)效果(guo)也直(zhi)接關(guan)系到開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)能否長期(qi)正常(chang)、穩定地工(gong)作。熱(re)(re)設計(ji)是開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)設備(bei)(bei)結構設計(ji)中(zhong)不可(ke)忽(hu)略的(de)一個環節，直(zhi)接決定了產品(pin)的(de)成(cheng)功與(yu)否，良好的(de)熱(re)(re)設計(ji)是保(bao)證設備(bei)(bei)運行(xing)穩定可(ke)靠(kao)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(xian)就得對它的(de)功(gong)率(lv)器件發熱量級功(gong)耗有一個好(hao)的(de)預估，這樣就對開關電(dian)源的(de)可靠(kao)性就有一個良(liang)好(hao)的(de)保證。
1、開(kai)關電源功(gong)率器件熱設計流(liu)程
在開關電源功率器(qi)件(jian)的(de)(de)熱設(she)計(ji)中，要有(you)一個好的(de)(de)熱設(she)計(ji)流程作(zuo)為(wei)指導，這樣才(cai)能(neng)做到(dao)工作(zuo)的(de)(de)有(you)序化(hua)和有(you)條不紊。圖1為(wei)功率器(qi)件(jian)熱設(she)計(ji)流程圖
圖1 功率(lv)器件熱設計流程圖
2、功耗分析
下(xia)面我(wo)們以反(fan)激(ji)式開(kai)(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)威(wei)力(li)對開(kai)(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)功(gong)率器件(jian)的熱設計進行研究，圖(tu)2為反(fan)激(ji)式開(kai)(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)得(de)主電(dian)路拓撲圖(tu)
圖(tu)2 反激(ji)式開關(guan)電(dian)源主電(dian)路拓(tuo)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)關管(guan)在一個開(kai)關周期內電(dian)壓(ya)電(dian)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
，而是以(yi)某一斜(xie)率(lv)逐(zhu)漸下降或上(shang)升，這樣就(jiu)會產生開(kai)關管的開(kai)通損耗與關斷損耗，由(you)圖3的近似波形可知在開(kai)關管電壓(ya)(ya)上(shang)升過程中起(qi)電壓(ya)(ya)和電流(liu)分別為(wei)：
下降期間其電(dian)壓和電(dian)流分別為
開(kai)關管(guan)在(zai)開(kai)通階段的損耗為
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
約為數百毫安至數安培，考(kao)慮到(dao)
從而有：
開關(guan)管在導通階段的損耗為
開關管在截止期間的損(sun)耗(hao)為
一周期內開關(guan)管的平均(jun)損耗(hao)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(shi)際的開(kai)關管性能決(jue)定的。
（2）整流二極管的功耗
整(zheng)流二極(ji)管的(de)功率損(sun)耗主(zhu)要(yao)分為(wei)正向(xiang)導通功率損(sun)耗和反向(xiang)負(fu)壓時(shi)的(de)功率損(sun)耗，圖(tu)4為(wei)二極(ji)管工作時(shi)的(de)電壓和電流波形圖(tu)。
圖4 二極管(guan)在一(yi)個(ge)開關周期內電壓電流波(bo)形圖
正向(xiang)導通損(sun)耗(hao)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。
當二(er)次(ci)整流二(er)極(ji)管(guan)上的電壓(ya)由正變負時(shi)，由于二(er)極(ji)管(guan)內少(shao)數(shu)載流子的存儲效應，二(er)極(ji)管(guan)中(zhong)的電流不會立即變為零(ling)，而是(shi)存在一個反向截止(zhi)時(shi)間 ，同(tong)圖4可(ke)近似(si)得到此(ci)時(shi)二(er)極(ji)管(guan)的功率損耗為：
在(zai)一個周期內的(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(you)二(er)極管性能決定的，可用專(zhuan)門(men)的儀器進(jin)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(yu)散(san)熱器(qi)的(de)表面(mian)積、表面(mian)處理方式、散(san)熱器(qi)表面(mian)空(kong)氣的(de)風速、散(san)熱器(qi)與(yu)周圍的(de)溫(wen)度差有關(guan)。
在選用散熱(re)器(qi)時應(ying)把握以下幾個原則：
（1）肋片長度適當增加(jia)能減(jian)小器(qi)件結溫(wen)，但過分增加(jia)肋片長度不能確保熱量傳(chuan)(chuan)導到散熱器(qi)肋片的(de)末端，因此傳(chuan)(chuan)熱受到影響，不能大(da)大(da)降低結溫(wen)，反而(er)使散熱器(qi)重(zhong)量增加(jia)太多(duo)。一(yi)般認(ren)為(wei)散熱器(qi)的(de)肋片長度和(he)基(ji)座寬度之(zhi)比(bi)接近(jin)1傳(chuan)(chuan)熱較好
（2）肋片(pian)厚度(du)對散熱效果沒有(you)多大影響
（3）肋片高(gao)度對散(san)熱(re)器散(san)熱(re)性能影響較(jiao)大，但肋片高(gao)度過高(gao)，散(san)熱(re)器體(ti)積增加太多就受到實際(ji)應用中散(san)熱(re)器可使用體(ti)積的限制
（4）肋(lei)片(pian)數目的增(zeng)多可改(gai)善散熱效(xiao)果，但超過某(mou)一數值就(jiu)沒有什么變(bian)化，而且重(zhong)量還(huan)易(yi)增(zeng)加(jia)，因而不(bu)能盲目增(zeng)加(jia)肋(lei)片(pian)的數目。
（5）散熱器一般都要進行煮黑氧化處(chu)理。
當在(zai)實際(ji)應用中，給散(san)熱(re)器(qi)提供(gong)的(de)空間不(bu)足以(yi)安裝(zhuang)熱(re)阻小，體積較大的(de)散(san)熱(re)器(qi)時就要(yao)采用風(feng)冷等(deng)冷卻方式，而在(zai)選(xuan)擇(ze)風(feng)扇時，也要(yao)注意把握以(yi)下幾個原則：
（1）在功率允許的(de)情況(kuang)下，盡可能選擇風(feng)(feng)量(liang)較大的(de)風(feng)(feng)扇(shan)，與風(feng)(feng)量(liang)有(you)關的(de)因(yin)素包括風(feng)(feng)扇(shan)的(de)大小，轉速等。
（2）風扇的(de)送風形式對(dui)散熱(re)(re)效果也(ye)有(you)較大的(de)影響，鼓(gu)風時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)是(shi)(shi)紊(wen)流，風壓(ya)大但(dan)容易(yi)受(shou)到阻(zu)力(li)損(sun)失；抽風時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)是(shi)(shi)層流，風壓(ya)小但(dan)氣(qi)流穩定。理(li)論上說，紊(wen)流的(de)換(huan)熱(re)(re)效率比(bi)層流大得(de)多，但(dan)是(shi)(shi)氣(qi)流的(de)運動與散熱(re)(re)片也(ye)有(you)直(zhi)接關系(xi)。在(zai)某(mou)些散熱(re)(re)片設計中（比(bi)如過于緊(jin)密(mi)的(de)鰭(qi)片），氣(qi)流受(shou)散熱(re)(re)片阻(zu)礙非常大，此時(shi)采用(yong)抽風可能會有(you)更好(hao)的(de)效果。因而在(zai)選用(yong)時(shi)要注意(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(xing)及可(ke)用性(xing)都得到保證。
5、結論
本(ben)文所提出(chu)的(de)開關(guan)電源(yuan)功(gong)率器(qi)件的(de)熱設計(ji)方(fang)法(fa)，在功(gong)耗計(ji)算（涉(she)及(ji)到(dao)開關(guan)器(qi)件的(de)選取、電路設計(ji)中(zhong)參數的(de)選擇等都有明確的(de)方(fang)向與(yu)方(fang)法(fa)），散熱器(qi)與(yu)冷(leng)卻方(fang)式的(de)選擇也提出(chu)了它(ta)的(de)原則，對開關(guan)電源(yuan)功(gong)率器(qi)件的(de)熱設計(ji)有重要的(de)指導(dao)作用。