高频开关电源热设计的一般原则
|
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。 2.3 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。型号的选择上要留有一定的余量，防止出现磁饱和。 2.4 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。 3 散热设计 3.1 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= 2）对流换热 热量通过热传导的方式传给与它紧靠在一起的流体层，这层流体受热后，体积膨胀，密度变小，向上流动，周围的密度大的流体流过来填充，填充过来的流体吸热膨胀向上流动，如此循环，不断从发热元器件表面带走热量，这一过程称为对流换热。对流换热的计算一般采用牛顿所提出的公式：Φ=αA(θ1－θ2)[W]，其中A为与流体接触的壁面面积[m2]，α为对流换热系数，θ1为壁面温度[K]，θ2为流体平均温度[K]。由此可见，热流量Φ与对流换热系数α，截面积A及固体表面与流体的温度差（θ1－θ2）的乘积成正比。对流换热是一种复杂的热传递过程，它不仅决定于热的过程，而且决定于气体的动力学过程。简单地说，影响对流换热的因素有两个方面：（1）流体的物理性质，如密度、粘度、膨胀系数、热导率、比热等；（2）流体的流动情况，是自然对流还是强迫对流，是层流还是紊流。因为层流时，热传递主要依靠互不相干的流层之间导热；而紊流时，则在紧贴壁面的层流底层之外，流体产生漩涡加强了热传递作用。一般而言，在其它条件相同情况下，紊流的换热系数比层流的换热系数大好几倍，甚至更多。 3）热辐射 由于温差引起的电磁波传播称为热辐射。它的过程比热传导和对流换热复杂得多。它是将物体的一部分热能转换成电磁波的能量，通过能传递电磁波的介质如空气、真空等，向四周传播出去，当遇到其它物体时，则一部分被吸收再转化为热能，剩下的则被反射回来。各种物体所散发出来的红外线，即是热辐射的一种。在真空或空气中，物体辐射出去的辐射能力Φ，决定于物体的性质、表面状况（如颜色、粗糙度等）、表面积大小及表面温度等。Φ=εσbA(T14－T24)其中σb为波尔兹曼常数，值为5.67×10－8，A为辐射表面积[m2]，T为两物体表面的绝对温度[K],ε为表面黑度。物体表面颜色越深，越粗糙，辐射能力越强。 3.2 开关电源中各发热源的主要散热方式 开关电源中各发热源，如整流桥、功率开关管、快恢复二极管、磁性元件以及作为假负载的大功率电阻等，这些元器件所产生的热量必须设法散发出去，一般热设计所采用的散热方式主要是传导换热和对流换热。即所有发热元器件均先固定在散热器上，热量通过热传导方式传递给散热器，散热器上的热量再通过对流换热的方式由空气带出机箱。实际的散热情况为三种传热方式的综合，可以用牛顿公式来统一表达：Φ=KSτ，其中S为散热表面积，K为表面散热系数。表面散热系数通常由试验确定，在一般的工程流体力学中有数据可查。它把传热的三种形式全部统一起来了。 通过Φ=KSτ，我们可以在计算出耗散功率以后，根据允许温升τ来确定散热表面积S，并由此而确定所要选用的散热器。这种计算对于提高开关电源的可靠性、功率密度、性价比等都有着重要意义。在相当多的情况下，生产厂家为了降低电源模块的成本，往往采用通用型的散热器，这些散热器的设计并不一定非常合适。对于特定的要求高可靠性的通信用高频开关电源来说，有针对性地设计专门的散热器就显得很重要。例如新西兰的一种用于通信电源系统的整流模块Intergy R2948（48V/60A）单模块输出功率2900W，它所采用的风冷散热为前进风，斜上出风方式，其散热器为专门设计。它最突出的特点是散热器上的散热片均呈一定的斜角，可将流过的空气导向斜上方，这种流向符合热空气由下往上流动的物理特性，这样在相同散热功率下，可以降低对空气流速的要求。同时，散热片为铸铝磨砂外型，表面粗糙度大，这种外形在底流速的空气中，更容易使层流转变成紊流，进而提高换热系数。综合这两种特性，可以大大提高散热器的散热效率，从而在相同功率输出和其它外界条件下，降低了对风扇转速的要求，如果再采取风扇随功率输出大小的无级调速，便可提高风扇的寿命。而对整流模块来说，风扇的MTBF是所有元器件中最低的，一直都是制约整流模块提高MTBF的瓶颈，所以采取各种措施提高散热效率来延长风扇寿命就具有非常积极的意义。原华为电气公司，现在的艾默生网络能源公司的部分产品也有类似设计，说明这种设计方法正被越来越多的电源厂家采用。由于这种散热器需要定做，根据用户要求加工模具，故成本高一些，但对提高电源的可靠性还是相当有益的。 4 结语 综上所述，在高频开关电源的热设计方面，需要考虑发热和散热两方面的情况，优先采用降低发热的各类技术，同时提高整机尤其是散热器的散热效率。这种设计思想从部分厂家的电源模块上得到了验证，为从事电源设计的人员提供了一点可以借鉴的设计方法。 |
[W]，式中Rt为热阻，τ为温度差。而热阻Rt=
[K/W]，式中δ为导体厚度，λ为热导率，A为导体截面积。这样，在开关电源设计中，可以由发热源的耗散功率，求出温升τ=ΦRt。由于实际应用中，热流量从热源出发到达散热器往往要经过几种不同材料的热导体，即存在不同热阻的串联，在计算时，总热阻为多个热阻的和。
