開關電源功率器件熱設計
開(kai)關電源發(fa)展(zhan)到今天(tian)，從以(yi)前的線性電源，相控電源組建發(fa)展(zhan)到現在的開(kai)關電源，它伴隨著頻(pin)率的提高，效率的增(zeng)加，功率密度的提高，特別是開(kai)關電源逐漸要(yao)(yao)求小型(xing)化的今天(tian)，對開(kai)關電源的熱分析的要(yao)(yao)求越來(lai)越高。
有(you)(you)統計(ji)(ji)資料(liao)表明，電子元器(qi)(qi)件溫(wen)度每升(sheng)高2℃，可(ke)靠性下降10％；溫(wen)升(sheng)50℃時的(de)(de)(de)(de)壽(shou)命(ming)只有(you)(you)溫(wen)升(sheng)為25℃時的(de)(de)(de)(de)1/6。而高頻(pin)開(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)(yuan)(yuan)這一(yi)類擁(yong)有(you)(you)大功(gong)(gong)率(lv)發熱(re)器(qi)(qi)件的(de)(de)(de)(de)設(she)(she)(she)(she)備(bei)，特別是功(gong)(gong)率(lv)器(qi)(qi)件更是開(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)(yuan)(yuan)發熱(re)中的(de)(de)(de)(de)重中之重的(de)(de)(de)(de)器(qi)(qi)件，因(yin)此功(gong)(gong)率(lv)器(qi)(qi)件的(de)(de)(de)(de)熱(re)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)愈加成為開(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)(yuan)(yuan)產品(pin)(pin)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)鍵一(yi)環，熱(re)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)效(xiao)果也(ye)直接關(guan)(guan)系到開(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)(yuan)(yuan)能否(fou)長期正常、穩定地工作。熱(re)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)是開(kai)關(guan)(guan)電源(yuan)(yuan)(yuan)設(she)(she)(she)(she)備(bei)結構設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)中不可(ke)忽略的(de)(de)(de)(de)一(yi)個環節(jie)，直接決定了產品(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)成功(gong)(gong)與否(fou)，良好的(de)(de)(de)(de)熱(re)設(she)(she)(she)(she)計(ji)(ji)是保證設(she)(she)(she)(she)備(bei)運行穩定可(ke)靠的(de)(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(shou)先就(jiu)得對(dui)它的(de)功率器(qi)件發熱量級功耗有一(yi)個(ge)好的(de)預估，這(zhe)樣就(jiu)對(dui)開關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)可靠性就(jiu)有一(yi)個(ge)良好的(de)保證。
1、開關電源功率器件熱設計流程
在開關電源功率(lv)器件的熱設計(ji)中，要有一個好的熱設計(ji)流程(cheng)作為(wei)指導，這樣才能(neng)做到工(gong)作的有序化和有條不紊。圖(tu)1為(wei)功率(lv)器件熱設計(ji)流程(cheng)圖(tu)
圖(tu)1 功率器件熱設計(ji)流(liu)程圖(tu)
2、功耗分析
下面我(wo)們(men)以反激式開關電(dian)源(yuan)威力對開關電(dian)源(yuan)功(gong)率器件的熱(re)設(she)計進行研(yan)究(jiu)，圖2為反激式開關電(dian)源(yuan)得主電(dian)路拓撲(pu)圖
圖(tu)(tu)2 反激式開關(guan)電源主電路拓(tuo)撲(pu)圖(tu)(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 開關管在一(yi)個(ge)開關周期內電壓(ya)電流(liu)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)以某一(yi)斜(xie)率逐漸下(xia)降或上升，這樣就(jiu)會產(chan)生開(kai)關管的開(kai)通損耗與關斷損耗，由圖3的近似(si)波形可知在開(kai)關管電壓上升過程(cheng)中起(qi)電壓和電流分別為：
下降期間(jian)其(qi)電壓和(he)電流分別為
開關管在開通(tong)階段的損耗為
開關(guan)管(guan)在關(guan)斷階(jie)段的損耗(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
約為數百毫安至(zhi)數安培，考慮到
從而有：
開關管在導通(tong)階段的損耗為
開關管在截止期(qi)間的損耗(hao)為
一(yi)周期內開(kai)關(guan)管的(de)平均損耗為
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(ji)的開(kai)關管(guan)性能決(jue)定(ding)的。
（2）整流二極管的功耗
整(zheng)流二極(ji)管(guan)的功(gong)(gong)率(lv)損耗(hao)主要分為(wei)正向導通功(gong)(gong)率(lv)損耗(hao)和(he)反向負壓時(shi)的功(gong)(gong)率(lv)損耗(hao)，圖(tu)4為(wei)二極(ji)管(guan)工(gong)作時(shi)的電(dian)壓和(he)電(dian)流波形圖(tu)。
圖(tu)4 二極管(guan)在一個開關(guan)周期(qi)內電(dian)壓電(dian)流波形圖(tu)
正向導通(tong)損耗功率(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)(er)次整流(liu)二(er)(er)極(ji)管上的(de)電壓由(you)正變負時，由(you)于(yu)二(er)(er)極(ji)管內少數載流(liu)子的(de)存儲效應，二(er)(er)極(ji)管中的(de)電流(liu)不(bu)會立(li)即變為零，而是(shi)存在一個反向截止時間 ，同圖4可近似得(de)到此時二(er)(er)極(ji)管的(de)功(gong)率損耗為：
在一個周期(qi)內的(de)平均熱功率(lv)
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(guan)性(xing)能決定的，可用專(zhuan)門的儀器進行(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(yu)散熱器的表(biao)面積、表(biao)面處理方(fang)式、散熱器表(biao)面空氣的風速、散熱器與(yu)周圍的溫度差有關。
在(zai)選用散熱器時應把(ba)握以下幾個原則：
（1）肋(lei)(lei)片長度(du)適當(dang)增加(jia)能(neng)減小器件結溫，但過分增加(jia)肋(lei)(lei)片長度(du)不能(neng)確保熱(re)(re)量傳(chuan)(chuan)導到(dao)散(san)(san)熱(re)(re)器肋(lei)(lei)片的末端(duan)，因(yin)此傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)受到(dao)影響(xiang)，不能(neng)大大降低(di)結溫，反而使散(san)(san)熱(re)(re)器重量增加(jia)太多。一般認為散(san)(san)熱(re)(re)器的肋(lei)(lei)片長度(du)和基座寬度(du)之比接近1傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)較好(hao)
（2）肋片厚度對散熱效果沒(mei)有多大(da)影(ying)響
（3）肋片高(gao)度對(dui)散(san)(san)(san)熱(re)器散(san)(san)(san)熱(re)性能(neng)影(ying)響較大，但肋片高(gao)度過高(gao)，散(san)(san)(san)熱(re)器體積(ji)增加太多就受到實(shi)際應用中散(san)(san)(san)熱(re)器可使用體積(ji)的限制(zhi)
（4）肋(lei)片數(shu)目(mu)(mu)的增多可(ke)改善散熱效(xiao)果，但(dan)超過某一(yi)數(shu)值就沒有什(shen)么(me)變化，而且重量(liang)還易增加，因而不能(neng)盲目(mu)(mu)增加肋(lei)片的數(shu)目(mu)(mu)。
（5）散熱器一般都要進(jin)行煮黑氧(yang)化(hua)處理(li)。
當在(zai)實際(ji)應用中(zhong)，給散(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)提供(gong)的空(kong)間(jian)不足(zu)以安裝熱(re)(re)阻(zu)小，體(ti)積較大的散(san)熱(re)(re)器(qi)(qi)時就要采用風冷(leng)等冷(leng)卻方式，而在(zai)選擇風扇時，也要注意把(ba)握以下幾個原則：
（1）在功率允許的(de)(de)情況下，盡(jin)可能選擇風(feng)(feng)量(liang)較大的(de)(de)風(feng)(feng)扇(shan)，與風(feng)(feng)量(liang)有關的(de)(de)因素包括風(feng)(feng)扇(shan)的(de)(de)大小，轉速等。
（2）風(feng)扇的(de)送風(feng)形式對(dui)散(san)(san)熱(re)(re)(re)效(xiao)果也(ye)有較大(da)的(de)影響，鼓風(feng)時產生的(de)是(shi)紊流(liu)，風(feng)壓大(da)但(dan)容易(yi)受到阻力損失(shi)；抽風(feng)時產生的(de)是(shi)層(ceng)流(liu)，風(feng)壓小但(dan)氣流(liu)穩定。理論上說(shuo)，紊流(liu)的(de)換熱(re)(re)(re)效(xiao)率比層(ceng)流(liu)大(da)得多，但(dan)是(shi)氣流(liu)的(de)運(yun)動與散(san)(san)熱(re)(re)(re)片(pian)(pian)也(ye)有直(zhi)接關(guan)系。在某(mou)些散(san)(san)熱(re)(re)(re)片(pian)(pian)設計中（比如過于(yu)緊(jin)密的(de)鰭(qi)片(pian)(pian)），氣流(liu)受散(san)(san)熱(re)(re)(re)片(pian)(pian)阻礙非常大(da)，此(ci)時采用(yong)抽風(feng)可能會有更好的(de)效(xiao)果。因而在選用(yong)時要注(zhu)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(bao)證。
5、結論
本文所提出的開(kai)關電源(yuan)功率器(qi)件的熱設計方(fang)法，在功耗計算（涉及到開(kai)關器(qi)件的選取、電路設計中參(can)數的選擇等都有(you)明確的方(fang)向與方(fang)法），散熱器(qi)與冷卻方(fang)式的選擇也提出了它的原則，對開(kai)關電源(yuan)功率器(qi)件的熱設計有(you)重要的指導(dao)作(zuo)用。