開關(guān)電源功率器件熱設(shè)計(jì)
開關(guān)電源發(fā)展到今天，從以前的線性電源，相控電源組建發(fā)展到現(xiàn)在的開關(guān)電源，它伴隨著頻率的提高，效率的增加，功率密度的提高，特別是開關(guān)電源逐漸要求小型化的今天，對(duì)開關(guān)電源的熱分析的要求越來越高。
有統(tǒng)計(jì)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(shí)的壽命只有溫升為25℃時(shí)的1/6。而高頻開關(guān)電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設(shè)備，特別是功率器件更是開關(guān)電源發(fā)熱中的重中之重的器件，因此功率器件的熱設(shè)計(jì)愈加成為開關(guān)電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)，熱設(shè)計(jì)的效果也直接關(guān)系到開關(guān)電源能否長(zhǎng)期正常、穩(wěn)定地工作。熱設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接決定了產(chǎn)品的成功與否，良好的熱設(shè)計(jì)是保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。
熱設(shè)計(jì)一般都伴隨著開關(guān)電源的初步設(shè)計(jì)開始，而一個(gè)好的熱設(shè)計(jì)[2]，首先就得對(duì)它的功率器件發(fā)熱量級(jí)功耗有一個(gè)好的預(yù)估，這樣就對(duì)開關(guān)電源的可靠性就有一個(gè)良好的保證。
1、開關(guān)電源功率器件熱設(shè)計(jì)流程
在開關(guān)電源功率器件的熱設(shè)計(jì)中，要有一個(gè)好的熱設(shè)計(jì)流程作為指導(dǎo)，這樣才能做到工作的有序化和有條不紊。圖1為功率器件熱設(shè)計(jì)流程圖
圖1 功率器件熱設(shè)計(jì)流程圖
2、功耗分析
下面我們以反激式開關(guān)電源威力對(duì)開關(guān)電源功率器件的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，圖2為反激式開關(guān)電源得主電路拓?fù)鋱D
圖2 反激式開關(guān)電源主電路拓?fù)鋱D
（1）開關(guān)管的功耗
我們知道，開關(guān)管的工作過程[1]分為四個(gè)階段即開通階段、關(guān)斷階段、導(dǎo)通階段、截止階段。圖3是開關(guān)管工作過程時(shí)的電壓電流波形。設(shè)各個(gè)階段時(shí)間依次為tr,tf,ton,toff,在圖中采取了分段折線處理，實(shí)際的電壓電流波形比這復(fù)雜。計(jì)算開關(guān)管的功耗可以將這四個(gè)階段功耗加起來極為開關(guān)管在一個(gè)周期的功耗總和。在開關(guān)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(guān)管導(dǎo)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(guān)管在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓電流波形圖
在開關(guān)管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的電壓上升期間，或是由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的電壓下降期間，開關(guān)管的電流并不是立即下降到
或上升到
，而是以某一斜率逐漸下降或上升，這樣就會(huì)產(chǎn)生開關(guān)管的開通損耗與關(guān)斷損耗，由圖3的近似波形可知在開關(guān)管電壓上升過程中起電壓和電流分別為：
下降期間其電壓和電流分別為
開關(guān)管在開通階段的損耗為
開關(guān)管在關(guān)斷階段的損耗為
實(shí)際上，目前大功率開關(guān)管生產(chǎn)工藝已較成熟，即使在晶體管[3]表面溫度達(dá)到100℃時(shí)，
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(shù)百毫安至數(shù)安培，考慮到
從而有：
開關(guān)管在導(dǎo)通階段的損耗為
開關(guān)管在截止期間的損耗為
一周期內(nèi)開關(guān)管的平均損耗為
當(dāng)脈沖變壓器電感量L足夠大時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通期間集電極電流變化不大，
，可得：
通常在實(shí)際的電路中，
在開關(guān)電源參數(shù)設(shè)計(jì)階段都可以確定，
是由實(shí)際的開關(guān)管性能決定的。
（2）整流二極管的功耗
整流二極管的功率損耗主要分為正向?qū)üβ蕮p耗和反向負(fù)壓時(shí)的功率損耗，圖4為二極管工作時(shí)的電壓和電流波形圖。
圖4 二極管在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電壓電流波形圖
正向?qū)〒p耗功率為：
其中正向?qū)娏鱅D較大，但正向?qū)▔航礦D約為0.6～0.7V，tD為正向?qū)〞r(shí)間。
當(dāng)二次整流二極管上的電壓由正變負(fù)時(shí)，由于二極管內(nèi)少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，二極管中的電流不會(huì)立即變?yōu)榱?，而是存在一個(gè)反向截止時(shí)間 ，同圖4可近似得到此時(shí)二極管的功率損耗為：
在一個(gè)周期內(nèi)的平均熱功率
通常在實(shí)際的電路中，
在開關(guān)電源參數(shù)設(shè)計(jì)階段都可以確定，
是由二極管性能決定的，可用專門的儀器進(jìn)行測(cè)量。
3、散熱器及冷卻方式的選取
設(shè)功率器件工作環(huán)境溫度最高為Ta，功率器件最大允許結(jié)溫為
，功率器件內(nèi)部熱阻
(PN結(jié)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(dǎo)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(guān)手冊(cè)也可得到相應(yīng)的接觸熱阻值），則散熱阻抗
這就可根據(jù)在具體開關(guān)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(fēng)冷等冷卻方式來使散熱器的熱阻減小，我們知道，散熱器熱阻抗與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風(fēng)速、散熱器與周圍的溫度差有關(guān)。
在選用散熱器時(shí)應(yīng)把握以下幾個(gè)原則：
?。?）肋片長(zhǎng)度適當(dāng)增加能減小器件結(jié)溫，但過分增加肋片長(zhǎng)度不能確保熱量傳導(dǎo)到散熱器肋片的末端，因此傳熱受到影響，不能大大降低結(jié)溫，反而使散熱器重量增加太多。一般認(rèn)為散熱器的肋片長(zhǎng)度和基座寬度之比接近1傳熱較好
?。?）肋片厚度對(duì)散熱效果沒有多大影響
?。?）肋片高度對(duì)散熱器散熱性能影響較大，但肋片高度過高，散熱器體積增加太多就受到實(shí)際應(yīng)用中散熱器可使用體積的限制
（4）肋片數(shù)目的增多可改善散熱效果，但超過某一數(shù)值就沒有什么變化，而且重量還易增加，因而不能盲目增加肋片的數(shù)目。
?。?）散熱器一般都要進(jìn)行煮黑氧化處理。
當(dāng)在實(shí)際應(yīng)用中，給散熱器提供的空間不足以安裝熱阻小，體積較大的散熱器時(shí)就要采用風(fēng)冷等冷卻方式，而在選擇風(fēng)扇時(shí)，也要注意把握以下幾個(gè)原則：
?。?）在功率允許的情況下，盡可能選擇風(fēng)量較大的風(fēng)扇，與風(fēng)量有關(guān)的因素包括風(fēng)扇的大小，轉(zhuǎn)速等。
?。?）風(fēng)扇的送風(fēng)形式對(duì)散熱效果也有較大的影響，鼓風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的是紊流，風(fēng)壓大但容易受到阻力損失；抽風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的是層流，風(fēng)壓小但氣流穩(wěn)定。理論上說，紊流的換熱效率比層流大得多，但是氣流的運(yùn)動(dòng)與散熱片也有直接關(guān)系。在某些散熱片設(shè)計(jì)中（比如過于緊密的鰭片），氣流受散熱片阻礙非常大，此時(shí)采用抽風(fēng)可能會(huì)有更好的效果。因而在選用時(shí)要注意。
4、可行性判定
在設(shè)計(jì)的最后階段，就綜合考慮開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)是否發(fā)生沖突，如果發(fā)生沖突的話就要采取折中的方法，各自犧牲一些指標(biāo)，從而使開關(guān)電源的可靠性及可用性都得到保證。
5、結(jié)論
本文所提出的開關(guān)電源功率器件的熱設(shè)計(jì)方法，在功耗計(jì)算（涉及到開關(guān)器件的選取、電路設(shè)計(jì)中參數(shù)的選擇等都有明確的方向與方法），散熱器與冷卻方式的選擇也提出了它的原則，對(duì)開關(guān)電源功率器件的熱設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用。