浅析高频开关电源热设计.doc

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1、浅析高频开关电源的热设计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

2、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

3、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3mΩ，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

4、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

5、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。1.1.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

6、号的选择上要留有一定的余量，防止出现磁饱和。1.2.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

7、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。2.散热设计2.1.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Φ=[