開關(guān)電源的幾種熱設(shè)計(jì)方法

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)。

2.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。

　　
3.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(lái)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?lái)講,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(guò)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(wú)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.

3.1 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(lái)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(wàn) : 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(wàn))]/( θb +θs +θc+θf(wàn)) ----------------(3)

又因?yàn)棣萣比θs +θc+θf(wàn)大很多,故可近似為

　　θj-a=θi+θs +θc+θf(wàn) ---------------------(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，可以大大降低接觸熱阻抗θc。

當(dāng)前有一種新型的相變材料，專門設(shè)計(jì)用采取代硅油作為傳熱介面，在65℃（相變溫度）時(shí)從固體變?yōu)榱黧w，從而確保界面的完全潤(rùn)濕，該材料的觸變特性避免其流到介面外。其傳熱效果與硅油相當(dāng)，但沒有硅油帶來(lái)的污垢，環(huán)境污染和難于操作等缺點(diǎn)。用于不需要電氣絕緣的場(chǎng)合。典型應(yīng)用包括CPU散熱片，功率轉(zhuǎn)換模塊或者其它任何簧片固定的硅油應(yīng)用場(chǎng)合，它可涂布在鋁質(zhì)基材的兩面，可單面附膠，雙面附膠或不附膠。

③絕緣墊熱阻抗θs
　　
絕緣墊是用于半導(dǎo)體器件和散熱器之間的絕緣.絕緣墊的熱阻抗θs取決于絕緣材料的材質(zhì)、厚度、面積。下表中列出幾種常用半導(dǎo)體封裝形式的θs+θc

④散熱器熱阻抗θf(wàn)

散熱器熱阻抗θf(wàn)與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風(fēng)速、散熱器與周圍的溫度差有關(guān)。因此一般都會(huì)設(shè)法增強(qiáng)散熱器的散熱效果，主要的方法有增加散熱器的表面積、設(shè)計(jì)合理的散熱風(fēng)道、增強(qiáng)散熱器表面的風(fēng)速。散熱器的散熱面積設(shè)計(jì)值如下圖所示：

但如果過(guò)于追求散熱器的表面積而使散熱器的叉指過(guò)于密集則會(huì)影響到空氣的對(duì)流，熱空氣不易于流動(dòng)也會(huì)降低散熱效果。自然風(fēng)冷時(shí)散熱器的叉指間距應(yīng)適當(dāng)增大，選擇強(qiáng)制風(fēng)冷則可適當(dāng)減小叉指間距。如上圖所示：

⑤散熱器表面積計(jì)算

S=0.86W/(ΔT*α)　(m2)

    ΔT: 散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度（Ta）的差（℃）
       α： 熱傳導(dǎo)系數(shù)，是由空氣的物理性質(zhì)及空氣流速?zèng)Q定。α由下式?jīng)Q定。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
       α=Nu*λ/L ()

　　λ:熱電導(dǎo)率（Kcal/m2h）空氣物理性質(zhì)
       L：散熱器高度（m）
       Nu：空氣流速系數(shù)。由下式?jīng)Q定。

　　Nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr

　　V：動(dòng)粘性系數(shù)（m2/sec）,空氣物理性質(zhì)。
       V’:散熱器表面的空氣流速(m/sec)
       Pr: 系數(shù),見下表

3.2 散熱設(shè)計(jì)舉例

[例] 2SCS5197在電路中消耗的功率為Pdc=15W,工作環(huán)境溫度Ta=60℃,求在正常工作時(shí)散熱器的面積應(yīng)是多少?

解: 查2SCS5197的產(chǎn)品目錄得知:Pcmax=80W(Tc=25℃),Tjmax=150℃且該功率管使用了絕緣墊和硅油. θs+θc=0.8℃/W

　　從(2)式可得

　　θi=θj-c=(Tjmax-Tc)/Pcmax-=(150-25)/80≒1.6℃/W

　　從(1)式可得

　　θj-a=(Tjmax-Ta)/Pdc=(150-60)/15=6℃/W

　　從(4)式可得

　　θf(wàn)=θj-a－(θi＋θc＋θs) ≒6－(1.6+0.8)=3.6℃/W

根據(jù)上述計(jì)算散熱器的熱阻抗須選用3.6℃/W以下的散熱器.從散熱器散熱面積設(shè)計(jì)圖中可以查到:使用2mm厚的鋁材至少需要200cm2,因此需選用140*140*2mm以上的鋁散熱器.

注：在實(shí)際運(yùn)用中，Tjmax必須降額使用，以80%額定節(jié)溫來(lái)代替Tjmax確保功率管的可靠工作。

4、自然風(fēng)冷與強(qiáng)制風(fēng)冷

在開關(guān)電源的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用自然風(fēng)冷與風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷二種形式。自然風(fēng)冷的散熱片安裝時(shí)應(yīng)使散熱片的葉片豎直向上放置，若有可能則可在PCB上散熱片安裝位置的周圍鉆幾個(gè)通氣孔便于空氣的對(duì)流。
　　
強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇強(qiáng)制空氣對(duì)流，所以在風(fēng)道的設(shè)計(jì)上同樣應(yīng)使散熱片的葉片軸向與風(fēng)扇的抽氣方向一致，為了有良好的通風(fēng)效果越是散熱量大的器件越應(yīng)靠近排氣風(fēng)扇，在有排氣風(fēng)扇的情況下，散熱片的熱阻如下表所示：