開關(guān)電源功率器件熱設(shè)計(jì)

當(dāng)前，電子設(shè)備的主要失效形式就是熱失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55％是溫度超過(guò)規(guī)定值引起的，隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)。所以，功率器件熱設(shè)計(jì)是電子設(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)。

開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)是指在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)合理的熱設(shè)計(jì)技術(shù)，使電源能夠在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)正常工作。開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的主要技術(shù)包括熱封裝技術(shù)、冷封裝技術(shù)、散熱器技術(shù)、熱管理技術(shù)等。熱封裝技術(shù)是將電子元件封裝在一個(gè)熱熔膠中，以保護(hù)元件免受外界環(huán)境的損害，并使元件能夠正常工作。

冷封裝技術(shù)是將電子元件封裝在一個(gè)塑料外殼中，以保護(hù)元件免受外界環(huán)境的損害，并使元件能夠正常工作。散熱器技術(shù)是將電子元件與散熱器連接，以提高散熱效率，使元件能夠正常工作。熱管理技術(shù)是指在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)合理的熱管理技術(shù)，使電源能夠在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)正常工作。

功率器件熱設(shè)計(jì)

功率器件熱設(shè)計(jì)主要是防止器件出現(xiàn)過(guò)熱或溫度交變引起的熱失效，可分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計(jì)、封裝的熱設(shè)計(jì)和管殼的熱設(shè)計(jì)以及功率器件實(shí)際使用中的熱設(shè)計(jì)。

對(duì)于一般的功率器件，只需要考慮器件內(nèi)部、封裝和管殼的熱設(shè)計(jì)，而當(dāng)功耗較大時(shí)，則需要安裝合適的散熱器，通過(guò)其有效散熱，保證器件結(jié)溫在安全結(jié)溫之內(nèi)正?？煽康墓ぷ?。

開關(guān)電源電路的熱設(shè)計(jì)流程

1）分析電源電路的布局結(jié)構(gòu)，確定主要發(fā)熱單元;根據(jù)電路理論中的相關(guān)公式，求得各發(fā)熱單元的理論損耗值。

2）分析電源電路對(duì)應(yīng)的熱路，確定傳熱途徑，繪出等效的熱模型。根據(jù)熱設(shè)計(jì)理論，計(jì)算各個(gè)元器件的熱阻值;根據(jù)熱路圖建立熱平衡方程式，分析溫度場(chǎng)分布特性，解出各節(jié)點(diǎn)的溫度值;根據(jù)熱路模型與電氣模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確立電氣模型。

3）建立該電路的3D熱模型。利用專業(yè)熱仿真軟件（如Flotherm、ANSYS等），根據(jù)流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)原理，采用有限元體積法，對(duì)建立的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算﹔根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出最佳方案。

4）模型或樣機(jī)試驗(yàn)分析。通過(guò)對(duì)模型或樣機(jī)測(cè)試測(cè)量，檢驗(yàn)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的偏差程度。

5）除了熱設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮可靠性、安全性、維修性及電磁兼容性的協(xié)同設(shè)計(jì)。

在不影響產(chǎn)品本體性能的條件下，針對(duì)開關(guān)電源電路的具體要求，并結(jié)合元器件的熱分析，選擇合適的冷卻方式，是進(jìn)行開關(guān)電源電路熱設(shè)計(jì)的主要工作。熱設(shè)計(jì)的原則：一是減少發(fā)熱量，即選用最優(yōu)的控制方法和技術(shù)，如移相全橋技術(shù)，同步整流技術(shù)等;另外，選擇使用低功耗器件，減少發(fā)熱器件的數(shù)目，加大加粗印制線的寬度，提高電源效率;二是采用電源內(nèi)部的熱交換機(jī)制，采用傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式，如散熱器、風(fēng)冷（自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷）、液冷（水和油）熱管等，將電源內(nèi)部多余的熱量轉(zhuǎn)移。

熱系統(tǒng)分析實(shí)際上是歐姆定律的變形，有直接與電氣領(lǐng)域的元器件相對(duì)應(yīng)的等效元件。電路中的每個(gè)元器件和節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)物理結(jié)構(gòu)體或表面，電源則對(duì)應(yīng)電路中的一個(gè)發(fā)熱元器件，它產(chǎn)生可計(jì)算或測(cè)量的功率。損耗就是發(fā)熱，開關(guān)電源電路中功率器件的損耗和變壓器的損耗是不可忽略的因素。它不僅會(huì)影響到元器件的可靠性，而且對(duì)開關(guān)電源的輸出也產(chǎn)生影響。

功率器件的損耗主要包括開關(guān)損耗Pru、導(dǎo)通損耗Pc和門極驅(qū)動(dòng)損耗Pg。表征功率器件熱能力的參數(shù)主要有結(jié)溫Tj和熱阻Ro。當(dāng)結(jié)溫高于周圍環(huán)境溫度Ta時(shí)，Tj隨著溫差（Tj一Ta）的增大而增大，為了保證器件能夠長(zhǎng)期正常工作，必須規(guī)定最大結(jié)溫Timax。Timax的大小是根據(jù)器件的封裝材料、芯片材料和可靠性的要求確定的。功率器件的散熱能力主要通過(guò)熱阻來(lái)表征。熱阻越大，散熱能力越差。熱阻主要分為內(nèi)熱阻和外熱阻兩個(gè)部分：前者是器件本身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導(dǎo)熱率、厚度和器件的加工工藝有關(guān);后者則與管殼的封裝形式有關(guān)。通常管殼的表面積越大，熱阻越小。功率器件的熱設(shè)計(jì)主要分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計(jì)，封裝的熱設(shè)計(jì)，管殼的熱設(shè)計(jì)，以及功率器件實(shí)用熱設(shè)計(jì)。電源設(shè)計(jì)工程師的主要工作是針對(duì)功率器件的實(shí)用熱設(shè)計(jì)，其目的是通過(guò)計(jì)算功率器件的損耗，選擇合適的散熱器和合理的電路布局;通過(guò)散熱器的有效散熱，保證器件的結(jié)溫在安全的結(jié)溫之內(nèi)，且能長(zhǎng)期正?？煽康毓ぷ?。

變壓器的損耗包括：鐵心的損耗（鐵損）和線圈的損耗（銅損）。變壓器的鐵損和銅損分別構(gòu)成它的兩個(gè)熱源。由于熱輻射的原因，磁芯產(chǎn)生熱量的大部分直接散發(fā)到周圍空氣中，而小部分熱量則先傳遞給線圈，然后再由線圈散發(fā)到空氣中。同樣，線圈產(chǎn)生的熱量也有相似的傳熱方式，即部分直接散熱到空氣，另一部分則先傳遞給磁芯，再散發(fā)到空氣。隨著開關(guān)電源工作頻率的不斷提高，損耗（包括鐵心損耗和銅損）也在急劇增大。為了提高變壓器的功率密度和熱性能，以防止熱失效，除了需要研究其損耗減小技術(shù)（包括開發(fā)具有良好高頻損耗特性的新型功率鐵氧體材料和線圈設(shè)計(jì)技術(shù)）、封裝技術(shù)以及散熱技術(shù)外，還需積極研究包括熱模型以及溫度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等熱設(shè)計(jì)技術(shù)。電源設(shè)計(jì)師應(yīng)該針對(duì)變壓器的線圈設(shè)計(jì)技術(shù)。散熱技術(shù)、創(chuàng)建熱模型，以及利用熱仿真軟件等，進(jìn)行深入的研究。