开关电源热设计分析

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1、开关电源发展到今天，从以询的线性电源、相控电源发展到现在的开关电源.它伴随看频率的提高,效率的增加.功率密度的提高.特别是开关电源逐渐要求小型化的今天，对开关电源的热分析的耍求越來越高。有统计资料表明，电子元器件温度每升高2弋，可靠性下降10%元器件温升为50C时的寿命只有温升为25C时的1/6o而高频开关电源这--类拥有大功率发热器件的设备，温度更是绑响梵可需性的重要因索.因此热设计愈加成为开关电源产品设计的关键-环，热设计的效果百接关系到开关电源能否长期正常、稳定工作的重要因素。热设汁是开关电源设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定产品的成功与否•良好的热设

2、计是保证设备运行稳定可靠的基础。热设计一-般都随着开关电源的初步设计开始，而一个好的热设计〔2】•首先就得对它的主耍发热元件的功耗有一个比校准确的预估，这样就对开关电源内部元件的布局和冷却方式的选择有很好的指导意义。1开关电源的结构图1是开关电源常用的主电路拓扑。在开关电源中主要发热器件是开关管、整流二极管.变压器及电感等。VD图1开关电源基本原理图2开关管的功耗开关管的工作过程［1］分为四个阶段，即开通阶段、关断阶段、导通阶段、截止阶段。图2足开关管工作过程时的电压电流波形。设备个阶段的时何依次为t「・tpton.toff.在图中采取了分段折线处理，实际的电圧电流

3、波形比这复杂。计算开关管的功耗可以将这四个阶段功耗加起来即为开关管在一个周期的功耗总和。在开关管截止期间,集电极电压Uce=Uc«U

4、,（U

5、为一次整流滤波后的宜流电压）,集电极电流iC=IC0（ICO为集电极漏电流）。开关管导通后•集电极电流从Ici増大到Ic2・集电极电压Uc沪UcBS（Uc8S为饱和压降）。图2开关管工作时的电压电流波形在开关管宙截止转为导通的电压上升期卸或是由导通转为截止的电压下降期卸开关管的电流并不是立即下降至I8或上升至IC2,而是以某一斜率逐渐下降或上升，这样就会产生开关管的开通损耗与关断损耗，由图2的近似波形可知在开关管电压上升过程中

6、电压和电流分别为：ICr=IcO+(ICT】C0)t/trUcEr=Uc-(UC-UCES)t/trF降期间其电压和电流分别为:iCF=IC2-(IC2-ICO)t/tfuCEF=UCES+(UC-UcES)t/tf开关管在开通阶段的损耗为Jo，cNce「山=石人⑵c（）Uc+2JciUcES"IcqUces+，cQc)开关管在关惭阶段的损耗为Wf=Jo心如阿⑵C2Uc+2/coUc+/co[/CES+IC2[Jc)实际上•目前大功率开关管生产工艺已较成熟，即使在晶体管表面温度达到100弋时［见参献文献⑶，UCES约为1〜3V・Ico约0・5〜1mA.ffoUc^U

7、p一般5为220V交流电直接整流滤波后的直流电压,其值为300V左右，而Ic约为数百唸安至数安培・考虑到Uc>>UCES/ICl>>ICO/IC2>>Ico从而有Wr»IClUctrtWf»IC2UCtf开关竹在导通阶段的损肚为：，Cor“CBondf开关管住裁11:阶段的损耗为Woff=IcoUctoff肩期内开关管的平均损耗为叫+皿十％+陷）*^CO^C^oftJ当脉冲变压器电感最L锻够大时，开关管导通期间集电极电流变化不大，IC3IC2=：IC・町得PC=l/T[IcoUctoff+IcUCESton+ICUC（tr+tf）]3整流二极管的功耗整流二极管的功率

8、损耗主耍分为正向导通功率损耗和反向截止时的功率损耗，图3为二极管工作时的电压和电流波形图。图3整流二极管的工作波形正向导通损耗功率为Wp=IoUDto其中正向导通电流Id较大,但正向导通压降Ud约为0・6〜0.7V,t°为正向导通时间。当二次整流二极管上的电压由正变负时，由于二极管内少数载流子的存储效应，二极管中的电流不会立即变为零，而是存在一个反向截I上时间©（见图3）,可近似得到此时二极管的功率损耗为Wr=J。RtR在一个周期内的平均热功率Pd=*(Wp+Wr)独砂+厶也)4变圧器及电感的功耗众所周知，变压器与电感结构基本相同，这里主要讨论电感损耗。电感损耗包括

9、两方面：其一是与磁芯相关的损耗，即铁损；其二是与电感绕组相关的损耗，即铜损。等效模型如图4所示。图4电感功耗的等效模型陋芯损耗包插矗滞损耗和涡流损耗，梵值可通过计并B,然后根抵电感数抵手刖，确足出磁芯损耗。获得B的方怯有两种途径：-是根据电感数据手別的计算公式，B=KxLxi(t)xIDC.英中K为常SL二是AB为绕组上电压与时间的乘枳与电感匝数和有效截而积Z比，即AB(t)=ULxton/A开关电源中的高频交流电.会产生电流的趋肤效应.绕组的实际电阻会随频率的捉高而増大，大于Rdc，即有i个交流电阻。因此，在计算铜损时就包括两个方而的损耗，直流电阻产生的损耗和