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淺析高頻開關電源的熱設計
  摘  要 : 闡 述 了 高 頻 開 關 電 源 熱 設 計 的 一 般 原 則 , 著 重 分 析 了 開 關 電 源 散 熱 器 的 熱 結 構 設 計 .
    關鍵詞: 高 頻 開 關 電 源 ; 熱 設 計 ; 散 熱 器


1 引 言
    電 子 產 品 對 工 作 溫 度 一 般 均 有 嚴 格 的 要 求 . 電 源 設 備 內 部 過 高 的 溫 升 將 會 導 致 對 溫 度 敏 感的 半 導 體 器 件 、 電 解 電 容 等 元 器 件 的 失 效 . 當 溫 度 超 過 一 定 值 時 , 失 效 率 呈 指 數 規 律 增 加 .有 統 計 資 料 表 明 , 電 子 元 器 件 溫 度 每 升 高 2℃ , 可 靠 性 下 降 10% ; 溫 升 50℃ 時 的 壽 命 只 有 溫 升為 25℃ 時 的 1/6. 所 以 電 子 設 備 均 會 遇 到 控 制 整 個 機 箱 及 內 部 元 器 件 溫 升 的 要 求 , 這 就 是 電 子設 備 的 熱 設 計 . 而 高 頻 開 關 電 源 這 一 類 擁 有 大 功 率 發 熱 器 件 的 設 備 , 溫 度 更 是 影 響 其 可 靠 性的 最 重 要 的 因 素 , 為 此 對 整 體 的 熱 設 計 有 嚴 格 要 求 . 完 整 的 熱 設 計 包 括 兩 方 面 : 如 何 控 制 熱源 的 發 熱 量 ; 如 何 將 熱 源 產 生 的 熱 量 散 出 去 . 最 終 目 的 是 如 何 將 達 到 熱 平 衡 后 的 電 子 設 備 溫度 控 制 在 允 許 范 圍 以 內 .
2 發 熱 控 制 設 計
    開 關 電 源 中 主 要 的 發 熱 元 器 件 為 半 導 體 開 關 管 ( 如 MOSFET、IGBT、 GTR、 SCR等 ) , 大 功 率二 極 管 ( 如 超 快 恢 復 二 極 管 、 肖 特 基 二 極 管 等 ) , 高 頻 變 壓 器 、 濾 波 電 感 等 磁 性 元 件 以 及 假負 載 等 . 針 對 每 一 種 發 熱 元 器 件 均 有 不 同 的 控 制 發 熱 量 的 方 法 .
2.1 減 少 功 率 開 關 的 發 熱 量
    開 關 管 是 高 頻 開 關 電 源 中 發 熱 量 較 大 的 器 件 之 一 , 減 少 它 的 發 熱 量 , 不 僅 可 以 提 高 開 關 管自 身 的 可 靠 性 , 而 且 也 可 以 降 低 整 機 溫 度 , 提 高 整 機 效 率 和 平 均 無 故 障 時 間 ( MTBF) . 開 關管 在 正 常 工 作 時 , 呈 開 通 、 關 斷 兩 種 狀 態 , 所 產 生 的 損 耗 可 細 分 成 兩 種 臨 界 狀 態 產 生 的 損 耗和 導 通 狀 態 產 生 的 損 耗 . 其 中 導 通 狀 態 的 損 耗 由 開 關 管 本 身 的 通 態 電 阻 決 定 . 可 以 通 過 選 擇低 通 態 電 阻 的 開 關 管 來 減 少 這 種 損 耗 . MOSFET的 通 態 電 阻 較 IGBT的 大 , 但 它 的 工 作 頻 率 高 ,因 此 仍 是 開 關 電 源 設 計 的 首 選 器 件 . 現 在 IR公 司 新 推 出 的 IRL3713系 列 HEXFET(六 角 形 場 效 應晶 體 管 )功 率 MOSFET已 將 通 態 電 阻 做 到 3 mΩ , 從 而 使 這 些 器 件 具 有 更 低 的 傳 導 損 失 、 柵 電 荷和 開 關 損 耗 . 美 國 APT公 司 也 有 類 似 的 產 品 . 開 通 和 關 斷 兩 種 臨 界 狀 態 的 損 耗 也 可 通 過 選 擇 開關 速 度 更 快 、 恢 復 時 間 更 短 的 器 件 來 減 少 . 但 更 為 重 要 的 則 是 通 過 設 計 更 優 的 控 制 方 式 和 緩沖 技 術 來 減 少 損 耗 , 這 種 方 法 在 開 關 頻 率 越 高 時 越 能 體 現 出 優 勢 來 . 如 各 種 軟 開 關 技 術 , 能讓 開 關 管 在 零 電 壓 、 零 電 流 狀 態 下 開 通 或 關 斷 , 從 而 大 大 減 少 了 這 兩 種 狀 態 產 生 的 損 耗 . 而一 些 生 產 廠 家 從 成 本 上 考 慮 仍 采 用 硬 開 關 技 術 , 則 可 以 通 過 各 種 類 型 的 緩 沖 技 術 來 減 少 開 關管 的 損 耗 , 提 高 其 可 靠 性 .
2.2 減 少 功 率 二 極 管 的 發 熱 量
    高 頻 開 關 電 源 中 , 功 率 二 極 管 的 應 用 有 多 處 , 所選 用 的 種 類 也 不 同 . 對 于 將 輸 入 50Hz交 流 電 整 流 成 直 流 電 的 功 率 二 極 管 以 及 緩 沖 電 路 中 的快 恢 復 二 極 管 , 一 般 情 況 下 均 不 會 有 更 優 的 控 制 技 術 來 減 少 損 耗 , 只 能 通 過 選 擇 高 品 質 的 器件 , 如 采 用 導 通 壓 降 更 低 的 肖 特 基 二 極 管 或 關 斷 速 度 更 快 且 軟 恢 復 的 超 快 恢 復 二 極 管 , 來 減少 損 耗 , 降 低 發 熱 量 . 高 頻 變 壓 器 二 次 側 的 整 流 電 路 還 可 以 采 用 同 步 整 流 方 式 , 進 一 步 減 少整 流 壓 降 損 耗 和 發 熱 量 , 但 它 們 均 會 增 加 成 本 . 所 以 生 產 廠 家 如 何 掌 握 性 能 與 成 本 之 間 的 平衡 , 達 到 性 價 比 最 高 是 個 很 值 得 研 究 的 問 題 .
2.3 減 少 高 頻 變 壓 器 與 濾 波 電 感 等 磁 性 元 件 的 發 熱
    高 頻 開 關 電 源 中 不 可 缺 少 地 應 用 了 各 種 磁 性 元 件 , 如 濾 波 器 中 的 扼 流 圈 、 儲 能 濾 波 電 感 ,隔 離 型 的 電 源 還 有 高 頻 變 壓 器 . 它 們 在 工 作 中 會 產 生 或 多 或 少 的 銅 損 、 鐵 損 , 這 些 損 耗 以 發熱 的 方 式 散 發 出 來 . 尤 其 是 電 感 和 變 壓 器 , 線 圈 中 所 流 的 高 頻 電 流 由 于 趨 膚 效 應 的 影 響 , 會使 銅 損 成 倍 增 加 , 這 樣 電 感 、 變 壓 器 所 產 生 的 損 耗 成 為 不 可 忽 視 的 一 部 分 . 因 此 在 設 計 上 要采 用 多 股 細 漆 包 線 并 聯 纏 繞 , 或 采 用 寬 而 薄 的 銅 片 纏 繞 , 以 降 低 趨 膚 效 應 造 成 的 影 響 . 磁 芯一 般 選 用 高 品 質 鐵 氧 體 材 質 , 如 日 本 生 產 的 TDK磁 性 材 料 . 型 號 的 選 擇 上 要 留 有 一 定 的 余 量 ,防 止 出 現 磁 飽 和 .
2.4 減 少 假 負 載 的 發 熱 量
    大 功 率 開 關 電 源 為 避 免 空 載 狀 態 引 起 的 電 壓 升 高 , 往 往 設 有 假 負 載 — — 大 功 率 電 阻 , 帶 有源 PFC單 元 的 電 源 更 是 如 此 . 開 關 電 源 工 作 時 , 假 負 載 要 通 過 少 量 電 流 , 不 但 會 降 低 開 關 電 源的 效 率 , 而 且 其 發 熱 量 也 是 影 響 整 機 熱 穩 定 性 的 因 素 . 假 負 載 在 印 制 板 ( PCB) 上 的 位 置 往 往與 輸 出 濾 波 用 的 電 解 電 容 靠 得 很 近 , 而 電 解 電 容 對 溫 度 極 為 敏 感 . 因 此 很 有 必 要 降 低 假 負 載的 發 熱 量 . 比 較 可 行 的 辦 法 是 將 假 負 載 設 計 成 阻 抗 可 變 方 式 . 通 過 對 開 關 電 源 輸 出 電 流 的 檢測 來 控 制 假 負 載 阻 抗 的 大 小 , 當 電 源 處 于 正 常 負 載 時 , 假 負 載 退 出 消 耗 電 流 狀 態 ; 空 載 時 ,假 負 載 消 耗 電 流 最 大 . 這 樣 既 不 會 影 響 電 源 空 載 時 的 穩 定 性 , 也 不 會 降 低 電 源 的 效 率 和 產 生大 量 不 必 要 的 熱 量 .
3 散 熱 設 計
3.1 散 熱 的 基 本 方 式 及 其 計 算 方 法
    散 熱 有 三 種 基 本 方 式 : 熱 傳 導 、 對 流 換 熱 和 熱 輻 射 .
    1) 熱 傳 導 靠 物 體 直 接 接 觸 或 物 體 內 部 各部 分 之 間 發 生 的 傳 熱 即 是 熱 傳 導 . 其 機 理 是 不 同 溫 度 的 物 體 或 物 體 不 同 溫 度 的 各 部 分 之 間 、分 子 動 能 的 相 互 傳 遞 . 熱 傳 導 與 電 流 的 概 念 非 常 類 似 , 熱 量 總 是 從 溫 度 高 的 地 方 傳 導 到 溫 度低 的 地 方 , 熱 傳 導 過 程 中 有 熱 阻 存 在 如 同 電 流 流 動 過 程 中 有 電 阻 一 樣 . 其 熱 流 量 式中 Rt為 熱 阻 , τ 為 溫 度 差 . 而 熱 阻, 式 中 δ 為 導 體 厚 度 , λ 為 熱 導 率 , A為 導 體 截面 積 . 這 樣 , 在 開 關 電 源 設 計 中 , 可 以 由 發 熱 源 的 耗 散 功 率 , 求 出 溫 升 τ =Φ Rt. 由 于 實 際 應用 中 , 熱 流 量 從 熱 源 出 發 到 達 散 熱 器 往 往 要 經 過 幾 種 不 同 材 料 的 熱 導 體 , 即 存 在 不 同 熱 阻 的串 聯 , 在 計 算 時 , 總 熱 阻 為 多 個 熱 阻 的 和 .
    2) 對 流 換 熱 熱 量 通 過 熱 傳 導 的 方 式 傳 給 與 它 緊 靠 在 一 起 的 流 體 層 , 這 層 流 體 受 熱 后 , 體積 膨 脹 , 密 度 變 小 , 向 上 流 動 , 周 圍 的 密 度 大 的 流 體 流 過 來 填 充 , 填 充 過 來 的 流 體 吸 熱 膨 脹向 上 流 動 , 如 此 循 環 , 不 斷 從 發 熱 元 器 件 表 面 帶 走 熱 量 , 這 一 過 程 稱 為 對 流 換 熱 . 對 流 換 熱的 計 算 一 般 采 用 牛 頓 所 提 出 的 公 式 : Φ =α A(θ 1- θ 2)[W], 其 中 A為 與 流 體 接 觸 的 壁 面 面 積 [m2], α 為 對 流 換 熱 系 數 , θ 1為 壁 面 溫 度 [K], θ 2為 流 體 平 均 溫 度 [K]. 由 此 可 見 , 熱 流 量 Φ 與 對 流 換 熱 系 數 α , 截 面 積 A及 固 體 表 面 與 流 體 的 溫 度 差 ( θ 1- θ 2) 的 乘 積 成 正 比 . 對 流換 熱 是 一 種 復 雜 的 熱 傳 遞 過 程 , 它 不 僅 決 定 于 熱 的 過 程 , 而 且 決 定 于 氣 體 的 動 力 學 過 程 . 簡單 地 說 , 影 響 對 流 換 熱 的 因 素 有 兩 個 方 面 : ( 1) 流 體 的 物 理 性 質 , 如 密 度 、 粘 度 、 膨 脹 系 數、 熱 導 率 、 比 熱 等 ; ( 2) 流 體 的 流 動 情 況 , 是 自 然 對 流 還 是 強 迫 對 流 , 是 層 流 還 是 紊 流 . 因為 層 流 時 , 熱 傳 遞 主 要 依 靠 互 不 相 干 的 流 層 之 間 導 熱 ; 而 紊 流 時 , 則 在 緊 貼 壁 面 的 層 流 底 層之 外 , 流 體 產 生 漩 渦 加 強 了 熱 傳 遞 作 用 . 一 般 而 言 , 在 其 它 條 件 相 同 情 況 下 , 紊 流 的 換 熱 系數 比 層 流 的 換 熱 系 數 大 好 幾 倍 , 甚 至 更 多 .
    3) 熱 輻 射 由 于 溫 差 引 起 的 電 磁 波 傳 播 稱 為 熱 輻 射 . 它 的 過 程 比 熱 傳 導 和 對 流 換 熱 復 雜 得多 . 它 是 將 物 體 的 一 部 分 熱 能 轉 換 成 電 磁 波 的 能 量 , 通 過 能 傳 遞 電 磁 波 的 介 質 如 空 氣 、 真 空等 , 向 四 周 傳 播 出 去 , 當 遇 到 其 它 物 體 時 , 則 一 部 分 被 吸 收 再 轉 化 為 熱 能 , 剩 下 的 則 被 反 射回 來 . 各 種 物 體 所 散 發 出 來 的 紅 外 線 , 即 是 熱 輻 射 的 一 種 . 在 真 空 或 空 氣 中 , 物 體 輻 射 出 去的 輻 射 能 力 Φ , 決 定 于 物 體 的 性 質 、 表 面 狀 況 ( 如 顏 色 、粗 糙 度 等 ) 、 表 面 積 大 小 及 表 面 溫 度 等 . Φ =ε σ bA(T14- T24)其 中 σ b為 波 爾 茲 曼 常 數 ,值 為 5.67× 10- 8, A為 輻 射 表 面 積 [m2], T為 兩 物 體 表 面 的 絕 對 溫 度 [K],ε 為 表 面 黑 度 . 物 體表 面 顏 色 越 深 , 越 粗 糙 , 輻 射 能 力 越 強 .
3.2 開 關 電 源 中 各 發 熱 源 的 主 要 散 熱 方 式
    開 關 電 源 中 各 發 熱 源 , 如 整 流 橋 、 功 率 開 關 管 、 快 恢 復 二 極 管 、 磁 性 元 件 以 及 作 為 假 負 載的 大 功 率 電 阻 等 , 這 些 元 器 件 所 產 生 的 熱 量 必 須 設 法 散 發 出 去 , 一 般 熱 設 計 所 采 用 的 散 熱 方式 主 要 是 傳 導 換 熱 和 對 流 換 熱 . 即 所 有 發 熱 元 器 件 均 先 固 定 在 散 熱 器 上 , 熱 量 通 過 熱 傳 導 方式 傳 遞 給 散 熱 器 , 散 熱 器 上 的 熱 量 再 通 過 對 流 換 熱 的 方 式 由 空 氣 帶 出 機 箱 . 實 際 的 散 熱 情 況為 三 種 傳 熱 方 式 的 綜 合 , 可 以 用 牛 頓 公 式 來 統 一 表 達 : Φ =KSτ , 其 中 S為 散 熱 表 面 積 , K為 表面 散 熱 系 數 . 表 面 散 熱 系 數 通 常 由 試 驗 確 定 , 在 一 般 的 工 程 流 體 力 學 中 有 數 據 可 查 . 它 把 傳熱 的 三 種 形 式 全 部 統 一 起 來 了 .
    通 過 Φ =KSτ , 我 們 可 以 在 計 算 出 耗 散 功 率 以 后 , 根 據 允 許 溫 升 τ 來 確 定 散 熱 表 面 積 S, 并由 此 而 確 定 所 要 選 用 的 散 熱 器 . 這 種 計 算 對 于 提 高 開 關 電 源 的 可 靠 性 、 功 率 密 度 、 性 價 比 等都 有 著 重 要 意 義 . 在 相 當 多 的 情 況 下 , 生 產 廠 家 為 了 降 低 電 源 模 塊 的 成 本 , 往 往 采 用 通 用 型的 散 熱 器 , 這 些 散 熱 器 的 設 計 并 不 一 定 非 常 合 適 . 對 于 特 定 的 要 求 高 可 靠 性 的 通 信 用 高 頻 開關 電 源 來 說 , 有 針 對 性 地 設 計 專 門 的 散 熱 器 就 顯 得 很 重 要 . 例 如 新 西 蘭 的 一 種 用 于 通 信 電 源系 統 的 整 流 模 塊 Intergy R2948( 48 V/60 A) 單 模 塊 輸 出 功 率 2 900 W, 它 所 采 用 的 風 冷 散 熱為 前 進 風 , 斜 上 出 風 方 式 , 其 散 熱 器 為 專 門 設 計 . 它 最 突 出 的 特 點 是 散 熱 器 上 的 散 熱 片 均 呈一 定 的 斜 角 , 可 將 流 過 的 空 氣 導 向 斜 上 方 , 這 種 流 向 符 合 熱 空 氣 由 下 往 上 流 動 的 物 理 特 性 ,這 樣 在 相 同 散 熱 功 率 下 , 可 以 降 低 對 空 氣 流 速 的 要 求 . 同 時 , 散 熱 片 為 鑄 鋁 磨 砂 外 型 , 表 面粗 糙 度 大 , 這 種 外 形 在 底 流 速 的 空 氣 中 , 更 容 易 使 層 流 轉 變 成 紊 流 , 進 而 提 高 換 熱 系 數 . 綜合 這 兩 種 特 性 , 可 以 大 大 提 高 散 熱 器 的 散 熱 效 率 , 從 而 在 相 同 功 率 輸 出 和 其 它 外 界 條 件 下 ,降 低 了 對 風 扇 轉 速 的 要 求 , 如 果 再 采 取 風 扇 隨 功 率 輸 出 大 小 的 無 級 調 速 , 便 可 提 高 風 扇 的 壽命 . 而 對 整 流 模 塊 來 說 , 風 扇 的 MTBF是 所 有 元 器 件 中 最 低 的 , 一 直 都 是 制 約 整 流 模 塊 提 高 MTBF的 瓶 頸 , 所 以 采 取 各 種 措 施 提 高 散 熱 效 率 來 延 長 風 扇 壽 命 就 具 有 非 常 積 極 的 意 義 . 原 華為 電 氣 公 司 , 現 在 的 艾 默 生 網 絡 能 源 公 司 的 部 分 產 品 也 有 類 似 設 計 , 說 明 這 種 設 計 方 法 正 被越 來 越 多 的 電 源 廠 家 采 用 . 由 于 這 種 散 熱 器 需 要 定 做 , 根 據 用 戶 要 求 加 工 模 具 , 故 成 本 高 一些 , 但 對 提 高 電 源 的 可 靠 性 還 是 相 當 有 益 的 .
4 結 語
    綜 上 所 述 , 在 高 頻 開 關 電 源 的 熱 設 計 方 面 , 需 要 考 慮 發 熱 和 散 熱 兩 方 面 的 情 況 , 優 先 采 用 降 低 發 熱 的 各 類 技 術 , 同 時 提 高 整 機 尤 其 是 散 熱 器 的 散 熱 效 率 . 這 種 設 計 思 想 從 部 分 廠 家 的 電 源 模 塊 上 得 到 了 驗 證 , 為 從 事 電 源 設 計 的 人 員 提 供 了 一 點 可 以 借 鑒 的 設 計 方 法 .

參 考 文 獻

[1] [美 ].H.W.LIEPMANN,A.ROSHKO.氣 體 動 力 學 基 礎 [M].北 京 : 機 械 工 業 出 版 社 , 1982.
[2] 徐 國 策 .高 壓 斷 路 器 原 理 及 應 用 [M].北 京 : 清 華 大 學 出版 社 , 2000.
[3] 蘇 開 才 ,毛 宗 源 .現 代 功 率 電 子 技 術 [M].北 京 : 國 防 工業 出 版 社 , 1995.

陳義龍

(金鵬集團有限公司,廣東 廣州 510665)

這個話題要頂一下!

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感謝感謝!再頂一下.

好人.

好東西啊!兄弟!及時雨啊!天氣熱了!正在為散熱發愁呢!!

頂上去!

頂
頂

大哥!小弟是做PC POWER的
最近一直在搞溫度管控相關的東西.
請問一下,你那里有沒有一些關于各元器件溫升的限值.
比如說電感的最高電壓是不允許超過95℃
電容的溫度不允許超過85℃等
可否提供一些,不勝感激啊!

頂!!

是不錯的東西

我頂

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散熱專業性挺強的,因為是另一個專業的東西.

如果想深入了解的話怕是要花不少時間學習.