工程師技術(shù)知識(shí)分享：開關(guān)電源的幾種熱設(shè)計(jì)方法

引言

開關(guān)電源已普遍運(yùn)用在當(dāng)前的各類電子設(shè)備上,其單位功率密度也在不斷地提高.高功率密度的定義從1991年的25W/in3、1994年36W/in3、1999年52W/in3、2001年96W/in3，目前已高達(dá)數(shù)百瓦每立方英寸。由于開關(guān)電源中使用了大量的大功率半導(dǎo)體器件，如整流橋堆、大電流整流管、大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管等器件。它們工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量， 如果不能把這些熱量及時(shí)地排出并使之處于一個(gè)合理的水平將會(huì)影響開關(guān)電源的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞開關(guān)電源。為提高開關(guān)電源工作的可靠性，,熱設(shè)計(jì)在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中是必不可少的重要一個(gè)環(huán)節(jié)。

熱設(shè)計(jì)中常用的幾種方法

為了將發(fā)熱器件的熱量盡快地發(fā)散出去，一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮： 使用散熱器、冷卻風(fēng)扇、金屬PCB、散熱膏等。在實(shí)際設(shè)計(jì)中要針對(duì)客戶的要求及最佳費(fèi)/效比合理地將上述幾種方法綜合運(yùn)用到電源的設(shè)計(jì)中。

半導(dǎo)體器件的散熱器設(shè)計(jì)

由于半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位，其熱量主要來源于半導(dǎo)體器件的開通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗。從電路拓?fù)浞绞缴蟻碇v，采用零開關(guān)變換拓?fù)浞绞疆a(chǎn)生諧振使電路中的電壓或電流在過零時(shí)開通或關(guān)斷可最大限度地減少開關(guān)損耗但也無法徹底消除開關(guān)管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法。

1 散熱器的熱阻模型

由于散熱器是開關(guān)電源的重要部件，它的散熱效率高與低關(guān)系到開關(guān)電源的工作性能。散熱器通常采用銅或鋁，雖然銅的熱導(dǎo)率比鋁高2倍但其價(jià)格比鋁高得多，故目前采用鋁材料的情況較為普遍。通常來講，散熱器的表面積越大散熱效果越好。散熱器的熱阻模型及等效電路如上圖所示半導(dǎo)體結(jié)溫公式如下式如示：

Pcmax(Ta)= (Tjmax-Ta)/θj-a　(W)　-----------------------(1)

Pcmax(Tc)= (Tjmax-Tc)/θj-c　(W)　-----------------------(2)

Pc: 功率管工作時(shí)損耗

Pc(max): 功率管的額定最大損耗

Tj: 功率管節(jié)溫

Tjmax: 功率管最大容許節(jié)溫

Ta: 環(huán)境溫度

Tc: 預(yù)定的工作環(huán)境溫度

θs : 絕緣墊熱阻抗

θc : 接觸熱阻抗(半導(dǎo)體和散熱器的接觸部分)

θf : 散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)

θi : 內(nèi)部熱阻抗(PN結(jié)接合部與外殼封裝)

θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)

根據(jù)圖2熱阻等效回路，全熱阻可寫為:

θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)

又因?yàn)棣萣比θs +θc+θf大很多,故可近似為

θj-a=θi+θs +θc+θf ---------------------(4)

①PN結(jié)與外部封裝間的熱阻抗(又叫內(nèi)部熱阻抗) θi是由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)造、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關(guān)。每種半導(dǎo)體都有自身固有的熱阻抗。

②接觸熱阻抗θc是由半導(dǎo)體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定。接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響。當(dāng)接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時(shí)就會(huì)增大接觸熱阻抗θc。在半導(dǎo)體和散熱器之間涂上硅油可以增大接觸面積，排除接觸面之間的空氣而硅油本身又有良好的導(dǎo)熱性，可以