开关电源热设计分析.doc

《开关电源热设计分析.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、开关电源发展到今天.从以前的线性电源.相控电源发展到现在的开关电源•它伴随着频率的提高.效率的增加，功率密度的捉高，特别是开关电沁逐渐要求小型化的今天，对开关电源的热分析的要求越來越臥有统计资料表明，电子元器件温度每升高2°C,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1/6。而高频开关电源这-啖拥有人功率发热器件的设备.淋度鬼是彫响其可靠性的重要因素•因此热设计愈加成为开关电源产品设计的关纯-环，热设计的效果百接关系到开关电源能否长期正常、稳定工作的重要因索。热设计是开关电源设备结构设计中不可忽珞的一个坏节，直接决定产品的成功

2、与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。热设计般都随着开关电源的初步设计开始，而一个好的热设计⑵•首先就得对它的主耍发热元件的功耗育一个比较准确的预估.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慈义。1开关电源的结构图1是开关电源常川的主电路抓扑。在开关电源中主耍发热器件是开关管、整流二极管.变压器及电感等。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、关斯阶段、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。设各个阶段的时何依次为tf・ton.t时在图中采啟r分段折线处理.

3、实际的电压电流波形比这复杂。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-Up（Ui为一次整流滤波后的直流电压），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uCB=UcBS

4、形可知在开关符电压上升过程中电压和电流分别为：ICr=】co+(IC1"IC0)t/trUcEr=UC-(UC-UCES)t/tr下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J；如4~[/c4-2/clUCES♦1CQUCES+/ClUc)开关管在关断阶段的损耗为W尸Jo心叫@話⑵C2〃c+2/co"如％s+Mc)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10(TC时[见参献文献⑶,UCES约为1〜3V,Ico约0・5、1mA.而

5、Uc*U"—般Ui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约为数百亳安至数安培.考虑到Uc>>UCES/ICl>>ICO/IC2>>Ico从而有WeIciUc"WfZc2UctF开关管在h通阶段的损桂为‘ConMcEondf*（，C】+，C2）^CHS^on开关管在戳止阶段的损耗为W0ff=IcoUctoff…周期内开关管的平均损耗为Pc=*（"r+盼％+%）*【£/ci"C£1^2“C®十*（“+心）UCES^an+/a>Uct（rfJ半脉冲变压器电感量L报够人时，开关管导通期间集班极电流变化不人，IC“IC2=IC・

6、可得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损耗主要分为正向导通功率损耗和反向截止时的功率损耗，图3为一: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=I°UDto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・tb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.而处存在一个反向截止时间a（见图3）,可近似得到此时二极管的功率损耗为Wr=JoZjWDdt=y/R

7、URtR在一个周期内的平均热功率PD*(【咋+口0)=*(/3[/尚十人心®)4变压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。电感损耗包括两方面：其一定与磁芯相关的损耗，即铁损：其二处与电感绕俎相关的损耗，即铜损。等效模型如图4所示。RmR图4电感功耗的等效模型彪芯损耗包括魁滞损耗和涡流损耗，其值可通过计算B.然斤根据电感数据于册，确定山魁芯损耗：获得B的方法冇两种途径：-是根据电感数据于则的计算公式，B=KxLxi(t)xIDC,其中K为常蚩。.^AB为绕组上电压与时间的乘枳与电感匝数和有效截面积Z比，即△B(t)=

8、ULxton/A开关电源中的高频交流电，会产生电流的趋丿庆效应，绕组的实际电阻会随频率的捉高而增人，人于Rdc，即冇一个交