開關電源功率器件熱設計
開(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)發(fa)展到今(jin)天，從以前的(de)線性電源(yuan)，相(xiang)控(kong)電源(yuan)組(zu)建發(fa)展到現在的(de)開(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)，它伴隨著頻(pin)率(lv)(lv)的(de)提高，效率(lv)(lv)的(de)增加，功率(lv)(lv)密度的(de)提高，特別是開(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)逐漸要求小型(xing)化的(de)今(jin)天，對開(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)的(de)熱分析的(de)要求越(yue)來越(yue)高。
有統計(ji)資(zi)料表(biao)明，電(dian)(dian)子元(yuan)器件(jian)溫(wen)度每(mei)升(sheng)高(gao)2℃，可(ke)靠(kao)(kao)性下(xia)降10％；溫(wen)升(sheng)50℃時的(de)壽命(ming)只有溫(wen)升(sheng)為25℃時的(de)1/6。而高(gao)頻開(kai)(kai)(kai)關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)這一(yi)類擁有大功(gong)率(lv)發(fa)熱(re)(re)(re)器件(jian)的(de)設備(bei)，特(te)別是(shi)(shi)功(gong)率(lv)器件(jian)更是(shi)(shi)開(kai)(kai)(kai)關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)發(fa)熱(re)(re)(re)中的(de)重中之重的(de)器件(jian)，因此(ci)功(gong)率(lv)器件(jian)的(de)熱(re)(re)(re)設計(ji)愈加(jia)成(cheng)為開(kai)(kai)(kai)關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)產品(pin)設計(ji)的(de)關(guan)鍵一(yi)環，熱(re)(re)(re)設計(ji)的(de)效果也直接(jie)關(guan)系到開(kai)(kai)(kai)關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)能否長期正常、穩(wen)定(ding)(ding)地工(gong)作(zuo)。熱(re)(re)(re)設計(ji)是(shi)(shi)開(kai)(kai)(kai)關(guan)電(dian)(dian)源(yuan)設備(bei)結構設計(ji)中不可(ke)忽略(lve)的(de)一(yi)個環節，直接(jie)決定(ding)(ding)了(le)產品(pin)的(de)成(cheng)功(gong)與(yu)否，良好的(de)熱(re)(re)(re)設計(ji)是(shi)(shi)保證設備(bei)運行穩(wen)定(ding)(ding)可(ke)靠(kao)(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]，首先就(jiu)得對它(ta)的(de)功率器件發熱量(liang)級(ji)功耗有(you)一個好(hao)(hao)的(de)預估，這樣(yang)就(jiu)對開關電源的(de)可靠性就(jiu)有(you)一個良(liang)好(hao)(hao)的(de)保(bao)證。
1、開關電源功率器(qi)件熱設計(ji)流程
在(zai)開關(guan)電源功率器件的熱(re)設(she)計中，要有(you)一個(ge)好的熱(re)設(she)計流(liu)程作為(wei)(wei)指(zhi)導，這樣才能做到工作的有(you)序化和有(you)條(tiao)不紊。圖(tu)1為(wei)(wei)功率器件熱(re)設(she)計流(liu)程圖(tu)
圖(tu)1 功率器件熱設計流程(cheng)圖(tu)
2、功耗分析
下(xia)面(mian)我們以反激(ji)式開(kai)關電(dian)源威力對(dui)開(kai)關電(dian)源功(gong)率器(qi)件的熱設計進行研究(jiu)，圖2為(wei)反激(ji)式開(kai)關電(dian)源得主電(dian)路拓(tuo)撲圖
圖2 反激式開關電(dian)源(yuan)主電(dian)路拓撲(pu)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(tu)(tu)3 開關管在一個開關周期內電(dian)壓電(dian)流波形圖(tu)(tu)
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)某一斜率逐(zhu)漸下降或上升，這樣(yang)就會產生開(kai)關(guan)管(guan)的(de)開(kai)通(tong)損耗與(yu)關(guan)斷(duan)損耗，由圖3的(de)近(jin)似波形可(ke)知在(zai)開(kai)關(guan)管(guan)電(dian)壓上升過程中起電(dian)壓和電(dian)流(liu)分別(bie)為(wei)：
下降期間(jian)其電壓和電流分別(bie)為
開關管(guan)在開通階段的損耗為
開關管在關斷階段的(de)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(yue)為數(shu)百(bai)毫(hao)安(an)至(zhi)數(shu)安(an)培(pei)，考慮到
從而有：
開關管在導通階(jie)段的損耗為
開(kai)關(guan)管(guan)在截止期(qi)間的損耗為
一周期內開關(guan)管的平均(jun)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，
是由實(shi)際的開關管性能(neng)決定(ding)的。
（2）整流二極管的功耗
整流二(er)極管的功(gong)率損(sun)耗主要分為正(zheng)向導通(tong)功(gong)率損(sun)耗和(he)反(fan)向負(fu)壓(ya)時的功(gong)率損(sun)耗，圖4為二(er)極管工作時的電壓(ya)和(he)電流波形圖。
圖4 二極管在一個開關周期內電壓電流波(bo)形圖
正(zheng)向(xiang)導通損(sun)耗(hao)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(er)次整流二(er)極管上的(de)電壓由正變負時(shi)，由于(yu)二(er)極管內少數載流子(zi)的(de)存儲效應，二(er)極管中的(de)電流不(bu)會立即(ji)變為(wei)零，而是存在一個反向截止時(shi)間(jian) ，同圖4可近似(si)得到此時(shi)二(er)極管的(de)功率損耗為(wei)：
在一(yi)個周期內的平均(jun)熱(re)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，
是由二極管性(xing)能決定的，可用專門的儀器進行測(ce)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)(san)熱器的(de)(de)表(biao)面(mian)積、表(biao)面(mian)處理方(fang)式、散(san)(san)熱器表(biao)面(mian)空氣的(de)(de)風速、散(san)(san)熱器與周圍的(de)(de)溫度差有關。
在選(xuan)用散熱器(qi)時(shi)應把(ba)握以下幾個原則(ze)：
（1）肋片長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)適當增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)能減(jian)小器(qi)件(jian)結溫，但過(guo)分增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)肋片長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)不(bu)能確保熱量傳(chuan)(chuan)導到(dao)散(san)(san)熱器(qi)肋片的末端(duan)，因此(ci)傳(chuan)(chuan)熱受到(dao)影(ying)響，不(bu)能大大降低結溫，反而使散(san)(san)熱器(qi)重(zhong)量增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)太(tai)多(duo)。一(yi)般認為散(san)(san)熱器(qi)的肋片長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)和基(ji)座寬度(du)(du)之比接近1傳(chuan)(chuan)熱較好
（2）肋片厚(hou)度(du)對(dui)散熱效(xiao)果(guo)沒有多大影響(xiang)
（3）肋片(pian)高度對散(san)熱(re)器(qi)散(san)熱(re)性能影響(xiang)較大，但肋片(pian)高度過高，散(san)熱(re)器(qi)體積(ji)增加太多(duo)就受(shou)到實際應(ying)用(yong)中(zhong)散(san)熱(re)器(qi)可使(shi)用(yong)體積(ji)的限制
（4）肋片(pian)數目的增(zeng)多(duo)可改善散熱效(xiao)果，但超(chao)過某一數值就沒有(you)什么變化，而且(qie)重量還易增(zeng)加(jia)，因而不能盲目增(zeng)加(jia)肋片(pian)的數目。
（5）散熱器一(yi)般都要(yao)進行煮黑氧化處理。
當在(zai)實際應(ying)用(yong)中，給散熱(re)(re)器提供的(de)空(kong)間不(bu)足以(yi)安裝熱(re)(re)阻小，體積(ji)較大的(de)散熱(re)(re)器時就要采(cai)用(yong)風冷(leng)等(deng)冷(leng)卻方式，而在(zai)選擇風扇時，也要注意把握以(yi)下幾(ji)個原則：
（1）在功(gong)率允許的(de)情況下，盡可能選擇風(feng)(feng)量較大的(de)風(feng)(feng)扇，與風(feng)(feng)量有關的(de)因素包括(kuo)風(feng)(feng)扇的(de)大小，轉(zhuan)速等(deng)。
（2）風(feng)(feng)扇的送風(feng)(feng)形式對散(san)熱效果(guo)也有較大(da)(da)(da)的影響，鼓風(feng)(feng)時(shi)產(chan)生的是(shi)(shi)紊流(liu)，風(feng)(feng)壓大(da)(da)(da)但容(rong)易受到阻(zu)力損失(shi)；抽風(feng)(feng)時(shi)產(chan)生的是(shi)(shi)層流(liu)，風(feng)(feng)壓小但氣(qi)流(liu)穩定。理(li)論上說(shuo)，紊流(liu)的換熱效率比層流(liu)大(da)(da)(da)得多，但是(shi)(shi)氣(qi)流(liu)的運動與散(san)熱片(pian)(pian)也有直(zhi)接(jie)關(guan)系。在(zai)某些散(san)熱片(pian)(pian)設計中(zhong)（比如過于緊密的鰭(qi)片(pian)(pian)），氣(qi)流(liu)受散(san)熱片(pian)(pian)阻(zu)礙(ai)非常大(da)(da)(da)，此時(shi)采用抽風(feng)(feng)可能會有更好(hao)的效果(guo)。因而在(zai)選用時(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(ke)靠性(xing)及可(ke)用性(xing)都(dou)得到保證(zheng)。
5、結論
本文所提出(chu)的(de)(de)(de)開關(guan)電源(yuan)(yuan)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)熱(re)設(she)計方法，在功(gong)(gong)耗計算（涉及(ji)到開關(guan)器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)選取、電路(lu)設(she)計中參數的(de)(de)(de)選擇等都有明(ming)確的(de)(de)(de)方向與(yu)方法），散熱(re)器與(yu)冷卻方式的(de)(de)(de)選擇也提出(chu)了它的(de)(de)(de)原則(ze)，對開關(guan)電源(yuan)(yuan)功(gong)(gong)率(lv)(lv)器件(jian)(jian)的(de)(de)(de)熱(re)設(she)計有重要的(de)(de)(de)指導作(zuo)用。