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浅析高频开关电源的热设计
摘 要 : 阐 述 了 高 频 开 关 电 源 热 设 计 的 一 般 原 则 , 着 重 分 析 了 开 关 电 源 散 热 器 的 热 结 构 设 计 .
关键词: 高 频 开 关 电 源 ; 热 设 计 ; 散 热 器
1 引 言
电 子 产 品 对 工 作 温 度 一 般 均 有 严 格 的 要 求 . 电 源 设 备 内 部 过 高 的 温 升 将 会 导 致 对 温 度 敏 感的 半 导 体 器 件 、 电 解 电 容 等 元 器 件 的 失 效 . 当 温 度 超 过 一 定 值 时 , 失 效 率 呈 指 数 规 律 增 加 .有 统 计 资 料 表 明 , 电 子 元 器 件 温 度 每 升 高 2℃ , 可 靠 性 下 降 10% ; 温 升 50℃ 时 的 寿 命 只 有 温 升为 25℃ 时 的 1/6. 所 以 电 子 设 备 均 会 遇 到 控 制 整 个 机 箱 及 内 部 元 器 件 温 升 的 要 求 , 这 就 是 电 子设 备 的 热 设 计 . 而 高 频 开 关 电 源 这 一 类 拥 有 大 功 率 发 热 器 件 的 设 备 , 温 度 更 是 影 响 其 可 靠 性的 最 重 要 的 因 素 , 为 此 对 整 体 的 热 设 计 有 严 格 要 求 . 完 整 的 热 设 计 包 括 两 方 面 : 如 何 控 制 热源 的 发 热 量 ; 如 何 将 热 源 产 生 的 热 量 散 出 去 . 最 终 目 的 是 如 何 将 达 到 热 平 衡 后 的 电 子 设 备 温度 控 制 在 允 许 范 围 以 内 .
2 发 热 控 制 设 计
开 关 电 源 中 主 要 的 发 热 元 器 件 为 半 导 体 开 关 管 ( 如 MOSFET、IGBT、 GTR、 SCR等 ) , 大 功 率二 极 管 ( 如 超 快 恢 复 二 极 管 、 肖 特 基 二 极 管 等 ) , 高 频 变 压 器 、 滤 波 电 感 等 磁 性 元 件 以 及 假负 载 等 . 针 对 每 一 种 发 热 元 器 件 均 有 不 同 的 控 制 发 热 量 的 方 法 .
2.1 减 少 功 率 开 关 的 发 热 量
开 关 管 是 高 频 开 关 电 源 中 发 热 量 较 大 的 器 件 之 一 , 减 少 它 的 发 热 量 , 不 仅 可 以 提 高 开 关 管自 身 的 可 靠 性 , 而 且 也 可 以 降 低 整 机 温 度 , 提 高 整 机 效 率 和 平 均 无 故 障 时 间 ( MTBF) . 开 关管 在 正 常 工 作 时 , 呈 开 通 、 关 断 两 种 状 态 , 所 产 生 的 损 耗 可 细 分 成 两 种 临 界 状 态 产 生 的 损 耗和 导 通 状 态 产 生 的 损 耗 . 其 中 导 通 状 态 的 损 耗 由 开 关 管 本 身 的 通 态 电 阻 决 定 . 可 以 通 过 选 择低 通 态 电 阻 的 开 关 管 来 减 少 这 种 损 耗 . MOSFET的 通 态 电 阻 较 IGBT的 大 , 但 它 的 工 作 频 率 高 ,因 此 仍 是 开 关 电 源 设 计 的 首 选 器 件 . 现 在 IR公 司 新 推 出 的 IRL3713系 列 HEXFET(六 角 形 场 效 应晶 体 管 )功 率 MOSFET已 将 通 态 电 阻 做 到 3 mΩ , 从 而 使 这 些 器 件 具 有 更 低 的 传 导 损 失 、 栅 电 荷和 开 关 损 耗 . 美 国 APT公 司 也 有 类 似 的 产 品 . 开 通 和 关 断 两 种 临 界 状 态 的 损 耗 也 可 通 过 选 择 开关 速 度 更 快 、 恢 复 时 间 更 短 的 器 件 来 减 少 . 但 更 为 重 要 的 则 是 通 过 设 计 更 优 的 控 制 方 式 和 缓冲 技 术 来 减 少 损 耗 , 这 种 方 法 在 开 关 频 率 越 高 时 越 能 体 现 出 优 势 来 . 如 各 种 软 开 关 技 术 , 能让 开 关 管 在 零 电 压 、 零 电 流 状 态 下 开 通 或 关 断 , 从 而 大 大 减 少 了 这 两 种 状 态 产 生 的 损 耗 . 而一 些 生 产 厂 家 从 成 本 上 考 虑 仍 采 用 硬 开 关 技 术 , 则 可 以 通 过 各 种 类 型 的 缓 冲 技 术 来 减 少 开 关管 的 损 耗 , 提 高 其 可 靠 性 .
2.2 减 少 功 率 二 极 管 的 发 热 量
高 频 开 关 电 源 中 , 功 率 二 极 管 的 应 用 有 多 处 , 所选 用 的 种 类 也 不 同 . 对 于 将 输 入 50Hz交 流 电 整 流 成 直 流 电 的 功 率 二 极 管 以 及 缓 冲 电 路 中 的快 恢 复 二 极 管 , 一 般 情 况 下 均 不 会 有 更 优 的 控 制 技 术 来 减 少 损 耗 , 只 能 通 过 选 择 高 品 质 的 器件 , 如 采 用 导 通 压 降 更 低 的 肖 特 基 二 极 管 或 关 断 速 度 更 快 且 软 恢 复 的 超 快 恢 复 二 极 管 , 来 减少 损 耗 , 降 低 发 热 量 . 高 频 变 压 器 二 次 侧 的 整 流 电 路 还 可 以 采 用 同 步 整 流 方 式 , 进 一 步 减 少整 流 压 降 损 耗 和 发 热 量 , 但 它 们 均 会 增 加 成 本 . 所 以 生 产 厂 家 如 何 掌 握 性 能 与 成 本 之 间 的 平衡 , 达 到 性 价 比 最 高 是 个 很 值 得 研 究 的 问 题 .
2.3 减 少 高 频 变 压 器 与 滤 波 电 感 等 磁 性 元 件 的 发 热
高 频 开 关 电 源 中 不 可 缺 少 地 应 用 了 各 种 磁 性 元 件 , 如 滤 波 器 中 的 扼 流 圈 、 储 能 滤 波 电 感 ,隔 离 型 的 电 源 还 有 高 频 变 压 器 . 它 们 在 工 作 中 会 产 生 或 多 或 少 的 铜 损 、 铁 损 , 这 些 损 耗 以 发热 的 方 式 散 发 出 来 . 尤 其 是 电 感 和 变 压 器 , 线 圈 中 所 流 的 高 频 电 流 由 于 趋 肤 效 应 的 影 响 , 会使 铜 损 成 倍 增 加 , 这 样 电 感 、 变 压 器 所 产 生 的 损 耗 成 为 不 可 忽 视 的 一 部 分 . 因 此 在 设 计 上 要采 用 多 股 细 漆 包 线 并 联 缠 绕 , 或 采 用 宽 而 薄 的 铜 片 缠 绕 , 以 降 低 趋 肤 效 应 造 成 的 影 响 . 磁 芯一 般 选 用 高 品 质 铁 氧 体 材 质 , 如 日 本 生 产 的 TDK磁 性 材 料 . 型 号 的 选 择 上 要 留 有 一 定 的 余 量 ,防 止 出 现 磁 饱 和 .
2.4 减 少 假 负 载 的 发 热 量
大 功 率 开 关 电 源 为 避 免 空 载 状 态 引 起 的 电 压 升 高 , 往 往 设 有 假 负 载 — — 大 功 率 电 阻 , 带 有源 PFC单 元 的 电 源 更 是 如 此 . 开 关 电 源 工 作 时 , 假 负 载 要 通 过 少 量 电 流 , 不 但 会 降 低 开 关 电 源的 效 率 , 而 且 其 发 热 量 也 是 影 响 整 机 热 稳 定 性 的 因 素 . 假 负 载 在 印 制 板 ( PCB) 上 的 位 置 往 往与 输 出 滤 波 用 的 电 解 电 容 靠 得 很 近 , 而 电 解 电 容 对 温 度 极 为 敏 感 . 因 此 很 有 必 要 降 低 假 负 载的 发 热 量 . 比 较 可 行 的 办 法 是 将 假 负 载 设 计 成 阻 抗 可 变 方 式 . 通 过 对 开 关 电 源 输 出 电 流 的 检测 来 控 制 假 负 载 阻 抗 的 大 小 , 当 电 源 处 于 正 常 负 载 时 , 假 负 载 退 出 消 耗 电 流 状 态 ; 空 载 时 ,假 负 载 消 耗 电 流 最 大 . 这 样 既 不 会 影 响 电 源 空 载 时 的 稳 定 性 , 也 不 会 降 低 电 源 的 效 率 和 产 生大 量 不 必 要 的 热 量 .
3 散 热 设 计
3.1 散 热 的 基 本 方 式 及 其 计 算 方 法
散 热 有 三 种 基 本 方 式 : 热 传 导 、 对 流 换 热 和 热 辐 射 .
1) 热 传 导 靠 物 体 直 接 接 触 或 物 体 内 部 各部 分 之 间 发 生 的 传 热 即 是 热 传 导 . 其 机 理 是 不 同 温 度 的 物 体 或 物 体 不 同 温 度 的 各 部 分 之 间 、分 子 动 能 的 相 互 传 递 . 热 传 导 与 电 流 的 概 念 非 常 类 似 , 热 量 总 是 从 温 度 高 的 地 方 传 导 到 温 度低 的 地 方 , 热 传 导 过 程 中 有 热 阻 存 在 如 同 电 流 流 动 过 程 中 有 电 阻 一 样 . 其 热 流 量 式中 Rt为 热 阻 , τ 为 温 度 差 . 而 热 阻, 式 中 δ 为 导 体 厚 度 , λ 为 热 导 率 , A为 导 体 截面 积 . 这 样 , 在 开 关 电 源 设 计 中 , 可 以 由 发 热 源 的 耗 散 功 率 , 求 出 温 升 τ =Φ Rt. 由 于 实 际 应用 中 , 热 流 量 从 热 源 出 发 到 达 散 热 器 往 往 要 经 过 几 种 不 同 材 料 的 热 导 体 , 即 存 在 不 同 热 阻 的串 联 , 在 计 算 时 , 总 热 阻 为 多 个 热 阻 的 和 .
2) 对 流 换 热 热 量 通 过 热 传 导 的 方 式 传 给 与 它 紧 靠 在 一 起 的 流 体 层 , 这 层 流 体 受 热 后 , 体积 膨 胀 , 密 度 变 小 , 向 上 流 动 , 周 围 的 密 度 大 的 流 体 流 过 来 填 充 , 填 充 过 来 的 流 体 吸 热 膨 胀向 上 流 动 , 如 此 循 环 , 不 断 从 发 热 元 器 件 表 面 带 走 热 量 , 这 一 过 程 称 为 对 流 换 热 . 对 流 换 热的 计 算 一 般 采 用 牛 顿 所 提 出 的 公 式 : Φ =α A(θ 1- θ 2)[W], 其 中 A为 与 流 体 接 触 的 壁 面 面 积 [m2], α 为 对 流 换 热 系 数 , θ 1为 壁 面 温 度 [K], θ 2为 流 体 平 均 温 度 [K]. 由 此 可 见 , 热 流 量 Φ 与 对 流 换 热 系 数 α , 截 面 积 A及 固 体 表 面 与 流 体 的 温 度 差 ( θ 1- θ 2) 的 乘 积 成 正 比 . 对 流换 热 是 一 种 复 杂 的 热 传 递 过 程 , 它 不 仅 决 定 于 热 的 过 程 , 而 且 决 定 于 气 体 的 动 力 学 过 程 . 简单 地 说 , 影 响 对 流 换 热 的 因 素 有 两 个 方 面 : ( 1) 流 体 的 物 理 性 质 , 如 密 度 、 粘 度 、 膨 胀 系 数、 热 导 率 、 比 热 等 ; ( 2) 流 体 的 流 动 情 况 , 是 自 然 对 流 还 是 强 迫 对 流 , 是 层 流 还 是 紊 流 . 因为 层 流 时 , 热 传 递 主 要 依 靠 互 不 相 干 的 流 层 之 间 导 热 ; 而 紊 流 时 , 则 在 紧 贴 壁 面 的 层 流 底 层之 外 , 流 体 产 生 漩 涡 加 强 了 热 传 递 作 用 . 一 般 而 言 , 在 其 它 条 件 相 同 情 况 下 , 紊 流 的 换 热 系数 比 层 流 的 换 热 系 数 大 好 几 倍 , 甚 至 更 多 .
3) 热 辐 射 由 于 温 差 引 起 的 电 磁 波 传 播 称 为 热 辐 射 . 它 的 过 程 比 热 传 导 和 对 流 换 热 复 杂 得多 . 它 是 将 物 体 的 一 部 分 热 能 转 换 成 电 磁 波 的 能 量 , 通 过 能 传 递 电 磁 波 的 介 质 如 空 气 、 真 空等 , 向 四 周 传 播 出 去 , 当 遇 到 其 它 物 体 时 , 则 一 部 分 被 吸 收 再 转 化 为 热 能 , 剩 下 的 则 被 反 射回 来 . 各 种 物 体 所 散 发 出 来 的 红 外 线 , 即 是 热 辐 射 的 一 种 . 在 真 空 或 空 气 中 , 物 体 辐 射 出 去的 辐 射 能 力 Φ , 决 定 于 物 体 的 性 质 、 表 面 状 况 ( 如 颜 色 、粗 糙 度 等 ) 、 表 面 积 大 小 及 表 面 温 度 等 . Φ =ε σ bA(T14- T24)其 中 σ b为 波 尔 兹 曼 常 数 ,值 为 5.67× 10- 8, A为 辐 射 表 面 积 [m2], T为 两 物 体 表 面 的 绝 对 温 度 [K],ε 为 表 面 黑 度 . 物 体表 面 颜 色 越 深 , 越 粗 糙 , 辐 射 能 力 越 强 .
3.2 开 关 电 源 中 各 发 热 源 的 主 要 散 热 方 式
开 关 电 源 中 各 发 热 源 , 如 整 流 桥 、 功 率 开 关 管 、 快 恢 复 二 极 管 、 磁 性 元 件 以 及 作 为 假 负 载的 大 功 率 电 阻 等 , 这 些 元 器 件 所 产 生 的 热 量 必 须 设 法 散 发 出 去 , 一 般 热 设 计 所 采 用 的 散 热 方式 主 要 是 传 导 换 热 和 对 流 换 热 . 即 所 有 发 热 元 器 件 均 先 固 定 在 散 热 器 上 , 热 量 通 过 热 传 导 方式 传 递 给 散 热 器 , 散 热 器 上 的 热 量 再 通 过 对 流 换 热 的 方 式 由 空 气 带 出 机 箱 . 实 际 的 散 热 情 况为 三 种 传 热 方 式 的 综 合 , 可 以 用 牛 顿 公 式 来 统 一 表 达 : Φ =KSτ , 其 中 S为 散 热 表 面 积 , K为 表面 散 热 系 数 . 表 面 散 热 系 数 通 常 由 试 验 确 定 , 在 一 般 的 工 程 流 体 力 学 中 有 数 据 可 查 . 它 把 传热 的 三 种 形 式 全 部 统 一 起 来 了 .
通 过 Φ =KSτ , 我 们 可 以 在 计 算 出 耗 散 功 率 以 后 , 根 据 允 许 温 升 τ 来 确 定 散 热 表 面 积 S, 并由 此 而 确 定 所 要 选 用 的 散 热 器 . 这 种 计 算 对 于 提 高 开 关 电 源 的 可 靠 性 、 功 率 密 度 、 性 价 比 等都 有 着 重 要 意 义 . 在 相 当 多 的 情 况 下 , 生 产 厂 家 为 了 降 低 电 源 模 块 的 成 本 , 往 往 采 用 通 用 型的 散 热 器 , 这 些 散 热 器 的 设 计 并 不 一 定 非 常 合 适 . 对 于 特 定 的 要 求 高 可 靠 性 的 通 信 用 高 频 开关 电 源 来 说 , 有 针 对 性 地 设 计 专 门 的 散 热 器 就 显 得 很 重 要 . 例 如 新 西 兰 的 一 种 用 于 通 信 电 源系 统 的 整 流 模 块 Intergy R2948( 48 V/60 A) 单 模 块 输 出 功 率 2 900 W, 它 所 采 用 的 风 冷 散 热为 前 进 风 , 斜 上 出 风 方 式 , 其 散 热 器 为 专 门 设 计 . 它 最 突 出 的 特 点 是 散 热 器 上 的 散 热 片 均 呈一 定 的 斜 角 , 可 将 流 过 的 空 气 导 向 斜 上 方 , 这 种 流 向 符 合 热 空 气 由 下 往 上 流 动 的 物 理 特 性 ,这 样 在 相 同 散 热 功 率 下 , 可 以 降 低 对 空 气 流 速 的 要 求 . 同 时 , 散 热 片 为 铸 铝 磨 砂 外 型 , 表 面粗 糙 度 大 , 这 种 外 形 在 底 流 速 的 空 气 中 , 更 容 易 使 层 流 转 变 成 紊 流 , 进 而 提 高 换 热 系 数 . 综合 这 两 种 特 性 , 可 以 大 大 提 高 散 热 器 的 散 热 效 率 , 从 而 在 相 同 功 率 输 出 和 其 它 外 界 条 件 下 ,降 低 了 对 风 扇 转 速 的 要 求 , 如 果 再 采 取 风 扇 随 功 率 输 出 大 小 的 无 级 调 速 , 便 可 提 高 风 扇 的 寿命 . 而 对 整 流 模 块 来 说 , 风 扇 的 MTBF是 所 有 元 器 件 中 最 低 的 , 一 直 都 是 制 约 整 流 模 块 提 高 MTBF的 瓶 颈 , 所 以 采 取 各 种 措 施 提 高 散 热 效 率 来 延 长 风 扇 寿 命 就 具 有 非 常 积 极 的 意 义 . 原 华为 电 气 公 司 , 现 在 的 艾 默 生 网 络 能 源 公 司 的 部 分 产 品 也 有 类 似 设 计 , 说 明 这 种 设 计 方 法 正 被越 来 越 多 的 电 源 厂 家 采 用 . 由 于 这 种 散 热 器 需 要 定 做 , 根 据 用 户 要 求 加 工 模 具 , 故 成 本 高 一些 , 但 对 提 高 电 源 的 可 靠 性 还 是 相 当 有 益 的 .
4 结 语
综 上 所 述 , 在 高 频 开 关 电 源 的 热 设 计 方 面 , 需 要 考 虑 发 热 和 散 热 两 方 面 的 情 况 , 优 先 采 用 降 低 发 热 的 各 类 技 术 , 同 时 提 高 整 机 尤 其 是 散 热 器 的 散 热 效 率 . 这 种 设 计 思 想 从 部 分 厂 家 的 电 源 模 块 上 得 到 了 验 证 , 为 从 事 电 源 设 计 的 人 员 提 供 了 一 点 可 以 借 鉴 的 设 计 方 法 .
参 考 文 献
[1] [美 ].H.W.LIEPMANN,A.ROSHKO.气 体 动 力 学 基 础 [M].北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 1982.
[2] 徐 国 策 .高 压 断 路 器 原 理 及 应 用 [M].北 京 : 清 华 大 学 出版 社 , 2000.
[3] 苏 开 才 ,毛 宗 源 .现 代 功 率 电 子 技 术 [M].北 京 : 国 防 工业 出 版 社 , 1995.
陈义龙
(金鹏集团有限公司,广东 广州 510665)
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2006-10-02 13:36
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