開(kāi)關(guān)電源的可靠性熱設計
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時(shí)間：2010-05-21
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
T = P*(熱模型)
TJ = PD * ( JC +CA) + TA
在使用散熱器的情況下,散熱器與周?chē)諝庵g的熱釋放的阻力稱(chēng)為熱阻,散熱器與空氣之間熱流的大小用芯片的功耗來(lái)代表,這樣熱流由散熱器流向空氣時(shí)由于熱阻的存在,在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差,就像電流流過(guò)電阻會(huì )產(chǎn)生電壓降一樣.同樣,散熱器與芯片表面之間也會(huì )存在一定的熱阻.熱阻的單位為℃/W.選擇散熱器時(shí),除了機械尺寸的考慮之外,最重要的參數就是散熱器的熱阻.熱阻越小,散熱器的散熱能力越強.
從熱力學(xué)的角度來(lái)看,物體的吸熱、放熱是相對的,凡是有溫度差存在時(shí),就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處,這是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種現象.而熱傳遞的方式有三種:輻射、對流、傳導,其中以熱傳導為最快.我們要討論的風(fēng)冷散熱,實(shí)際上就是強制對流散熱.
對流換熱是指流體與其相接觸的固體表面或流體,而這具有不同溫度時(shí)所發(fā)生的熱量轉移過(guò)程.熱源將熱量以熱傳導方式傳至導熱導熱介質(zhì),再由介質(zhì)傳至散熱片基部,由基部將熱量傳至散熱片肋片并通過(guò)風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對流,將熱量散發(fā)到空氣中.風(fēng)扇不斷向散熱片吹入冷空氣,流出熱空氣,完成熱的散熱過(guò)程.
對流換熱即受導熱規律的支配,又受流體流動(dòng)規律的支配,屬于一種復雜的傳熱過(guò)程,表現在對流換熱的影響因素比較多.
1)按流體產(chǎn)生流動(dòng)的原因不同,可分為自然對流和強制對流.
2)按流動(dòng)性質(zhì)來(lái)區分,有層流和紊流之別.流體從層流過(guò)渡到紊流是由于流動(dòng)失去穩定性的結果.一般以雷諾數(Re)的大小,作為層流或紊流的判斷依據.
3)流體的物性對對流換熱的影響.例如,粘度、密度、導熱系數、比熱、導溫系數等等,它們隨流體不同而不同,隨溫度變化而變化,從而改變對流換熱的效果.
4)換熱表面的幾何條件對對流換熱的影響.其中包括:
a管道中的進(jìn)口、出口段的長(cháng)度,形狀以及流道本身的長(cháng)度等;
b物體表面的幾何形狀,尺寸大小等;
c物體表面,如管道壁面、平板表面等的粗糙程度;
d物體表面的位置(平放、側放、垂直放置等)以及流動(dòng)空間的大小.
5)流體物態(tài)改變的影響.
6)換熱面的邊界條件,如恒熱流、恒壁溫等,也會(huì )影響對流換熱.
7)風(fēng)量和溫度的關(guān)系
T＝Ta+1.76P/Q
式中
Ta-環(huán)境溫度,℃
P-整機功率,W
Q-風(fēng)扇的風(fēng)量,CFM
T-機箱內的溫度,℃
舉一個(gè)電路設計中熱阻的計算的例子:
設計要求:芯片功耗:20瓦,芯片表面不能超過(guò)的最高溫度:85℃,環(huán)境溫度(最高):55℃計算所需散熱器的熱阻.
實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻很小,取0.1℃/W作為近似.
則 (R+0.1)×20W=85℃-55℃
得到 R=1.4℃/W
只有當選擇的散熱器的熱阻小于1.4℃/W時(shí)才能保證芯片表面溫度不會(huì )超過(guò)85℃.
使用風(fēng)扇能帶走散熱器表面大量的熱量,降低散熱器與空氣的溫差,使散熱器與空氣之間的熱阻減小.因此散熱器的熱阻參數通常用一張表來(lái)表示.如下例:
風(fēng)速(英尺/秒)熱阻(℃/W)
03.5
1002.8
2002.3
3002.0
4001.8
功率元件的散熱方式是關(guān)鍵.開(kāi)關(guān)電源一般采用空氣冷卻或者水冷.在功率較小時(shí),采用空氣冷卻就能夠滿(mǎn)足要求.在功率較大時(shí),則需要在散熱器中通水,利用水流帶走熱量,因為散熱器一般都有不同的電位,所以必須采用絕緣強度較好的水,一般采用純凈水,它比普通蒸餾水的離子含量還要低.在水路的循環(huán)系統中,一般還要加離子樹(shù)脂交換器,因為散熱器上的金屬離子會(huì )不斷的溶解到水中,這些離子需要被吸附清除.
應該說(shuō),從散熱的角度來(lái)說(shuō),水冷是非常理想的.但是,水循環(huán)系統工藝要求高,安裝復雜,維護工作量大,而且一旦漏水,會(huì )帶來(lái)安全隱患.所以,能夠用空氣冷卻解決問(wèn)題的場(chǎng)合,就不要采用水冷.
空氣冷卻能夠從設備中帶出來(lái)的熱量,與有效散熱面積的大小有關(guān)系,散熱面積越大,能夠帶走的熱量就越多.元器件的數目越多,散熱的面積就越大,空氣冷卻的效果就越好.
電力電子元件的熱量按照如下方式傳導:沿散熱器表面散開(kāi),再沿表面傳遞到散熱片上,被空氣帶走.沿散熱器表面散開(kāi)的面積是非常有限的,離開(kāi)元件較遠處,已經(jīng)基本感受不到熱量,所以把散熱器表面做大到一定程度,對散熱效果的增加已經(jīng)沒(méi)有意義.對于散熱器的齒片也是一樣,齒根處溫度較高,齒尖處只有很少的熱量到達,所以增高齒片到一定程度,對散熱也毫無(wú)用處.
所以,要解決大功率產(chǎn)品的空氣冷卻問(wèn)題,唯一有效的辦法是,利用很多的元器件,均攤熱量,增大有效的散熱面積.
當然,采用功耗較小的新一代元器件,或者采用熱阻較小的新式散熱器,也可以使空氣冷卻的電源功率更大.
關(guān)于電源散熱的另外一個(gè)問(wèn)題是,把熱量從電源內部帶出來(lái)以后,如何耗散在大氣中.對于水冷裝置,需要在室外安裝一個(gè)水-空冷裝置,把熱水變成涼水.對于空氣冷卻的裝置,如果散熱量較大,需要安裝風(fēng)道,把熱空氣直接排出室外,否則,熱空氣會(huì )在室內聚集,造成室溫升高.以前有的用戶(hù)考慮用室內空調機降溫,事實(shí)證明在大功率電源應用中,需要較大的空調配置,是不經(jīng)濟的.
降低熱阻,提高對流換熱的途徑主要有:加大散熱器尺寸或者增加散熱片數量以加大散熱面積 ;采用更大尺寸或擁有更強風(fēng)力的風(fēng)機增大空氣流速以增大 ;引入紊流以增強局部對流來(lái)增大 等.通常情況下,選用散熱面積較大的型材散熱器和風(fēng)量較大的風(fēng)機可以降低散熱器到環(huán)境介質(zhì)的熱阻,但散熱面積的增加和風(fēng)機風(fēng)量的提高均受裝置體積、重量以及噪音指標等限制.由于電力電子器件的小型化和輕量化的發(fā)展趨勢,在散熱器和風(fēng)機參數一定的條件下,通過(guò)合理的風(fēng)道設計,在散熱器表面流場(chǎng)引入紊流是改善散熱的又一有效途徑.
合理的風(fēng)道設計一般要求引導風(fēng)扇氣流沖擊散熱器表面,適當的改變氣流在散熱器表面的流動(dòng)方向以在散熱器附近流場(chǎng)中形成大的擾動(dòng),從而形成廣泛的紊流區,加強散熱效果,如在散熱器前端加入擾流片等辦法;同時(shí)不應使氣流壓頭損失過(guò)大,流速下降過(guò)多,以免降低散熱效果.事實(shí)上這兩方面往往存在矛盾,所以應綜合權衡,盡量最優(yōu).
風(fēng)扇出風(fēng)口與散熱器間的距離對模塊散熱的影響研究
在強迫吹風(fēng)冷卻情形下,由于風(fēng)扇旋渦swirl存在,散熱器與風(fēng)扇間的距離對其流場(chǎng)均勻度影響較大,理論上,當散熱器與風(fēng)扇間的距離足夠大時(shí),風(fēng)扇旋渦swirl對流場(chǎng)的影響較小,然而在產(chǎn)品設計中,由于體積的限制,不可能允許散熱器與風(fēng)扇間的距離太大,換句話(huà)說(shuō),風(fēng)扇旋渦swirl對散熱的影響是一定存在的,利用FLOTHERM熱仿真分析軟件,通過(guò)合理控制熱設計冗余,力求得出一個(gè)較合理的風(fēng)扇與散熱器的距離.
在實(shí)際應用中,受到產(chǎn)品本身結構布置、外形尺寸等相關(guān)因素的限制,冷卻風(fēng)扇與散熱器間的距離不可能得到任意滿(mǎn)足.那么,如何合理、經(jīng)濟地確定風(fēng)扇與散熱器間距離的大小,如何平衡諸多因素間的矛盾呢?我們必須從引起該結果差異的原因中進(jìn)行分析,找出一個(gè)折衷的方法來(lái)較為合理、經(jīng)濟地確定該距離的大小.
仔細分析造成流場(chǎng)不均勻的原因,其關(guān)鍵的因素就是:一方面,由于實(shí)際風(fēng)扇中HUB的存在,使冷卻風(fēng)從風(fēng)扇環(huán)形的截面吹出,從而在風(fēng)扇HUB的下游區域形成不均勻地流場(chǎng)分布;另一方面,軸流風(fēng)扇的工作原理迫使流經(jīng)該風(fēng)扇出口截面的流體,呈旋轉狀態(tài)流向下游.實(shí)際上,在保證流體流出風(fēng)扇后一定距離的情況下,這種旋轉效果是能夠促進(jìn)流體間的混合,從而形成一個(gè)比較均勻的流場(chǎng)分布,當風(fēng)扇距散熱器為一個(gè)風(fēng)扇的HUB直徑時(shí),由于HUB存在而導致的不均勻流場(chǎng)可以得到較大程度上的改善,雖然流場(chǎng)分布還是存在一定程度上的不均勻,但是表現在散熱器上功率元器件的殼溫,卻沒(méi)有顯著(zhù)的變化,從而形成這一漸近的變化趨勢曲線(xiàn).由此我們可以得出以下結論:
a 風(fēng)扇強迫吹風(fēng)冷卻時(shí),在冷卻風(fēng)扇出口下游處,造成流場(chǎng)不均勻的主要因素主要是風(fēng)扇HUB的存在,其次才是流體流經(jīng)軸流風(fēng)扇后的旋轉效應.
b 該結構設計上,為了能夠獲得散熱器的最大散熱能力,我們必須要保證冷卻風(fēng)扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個(gè)風(fēng)扇HUB的直徑.但是,一旦該距離超過(guò)一個(gè)風(fēng)扇的外形直徑后,對下游流場(chǎng)均勻程度的貢獻已經(jīng)微乎其為,可以不用考慮該因素造成影響散熱器散熱能力這一因素.
c 如果在結構設計上,無(wú)法保證冷卻風(fēng)扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個(gè)風(fēng)扇HUB的直徑,則必須要求在風(fēng)扇與散熱器間安裝整流柵.
在電力電子行業(yè)中,由于存在著(zhù)大量的功率元器件,因此強迫風(fēng)冷冷卻在該行業(yè)得到廣泛的應用.由于該行業(yè)產(chǎn)品自身的特點(diǎn)及其主要的應用環(huán)境,電源模塊或系統在選用強迫冷卻這種散熱方式時(shí),軸流風(fēng)扇得到廣泛的應用.由于軸流風(fēng)扇的工作原理是通過(guò)電機工作,帶動(dòng)與其相連的葉片使葉片以電機給定的轉速進(jìn)行旋轉,從而在葉片的前后產(chǎn)生一定的壓差,驅動(dòng)葉片周?chē)目諝庋仉姍C軸這一固定的方向進(jìn)行運動(dòng).因此,軸流風(fēng)扇具有壓頭底、流量大等特點(diǎn).通常人們在選用軸流風(fēng)扇時(shí),也僅僅考慮了上述的幾個(gè)特點(diǎn),忽約了軸流風(fēng)扇葉片旋轉而給被迫產(chǎn)生流動(dòng)的空氣造成的一系列影響.實(shí)際上,通過(guò)軸流風(fēng)扇的流體并不完全是沿電機軸這一單方向進(jìn)行運動(dòng)的,在與電機軸垂直的風(fēng)扇葉片截面上也有一速度運動(dòng)分量.因此,通過(guò)軸流風(fēng)扇驅動(dòng)的流體實(shí)際上是以電機軸為軸線(xiàn),向前旋轉運動(dòng)著(zhù)的流動(dòng)流體.在軸流風(fēng)扇出口處,流體的實(shí)際流動(dòng)方向如下圖所示:
圖1、風(fēng)扇出口處流體的實(shí)際流動(dòng)方向
如前所述,通過(guò)軸流風(fēng)扇出口處的流體實(shí)際上是沿軸心旋轉向前流動(dòng)的流體,那么風(fēng)扇的實(shí)際旋轉方向對其后的流場(chǎng)(電源內部的被冷卻區域)有什么影響呢?
總結風(fēng)扇供應商所提供的相關(guān)數據,我們可以得到如下簡(jiǎn)單的確定風(fēng)扇旋轉方向對流場(chǎng)影響的方法:按照左手旋轉原則,大拇指的方向為流體的宏觀(guān)流向,其余四指的彎曲方向為風(fēng)扇出口處流場(chǎng)的旋轉方向.在功率元器件的布局時(shí),按照左手螺旋原則,只要我們把關(guān)鍵元器件布置在四彎曲拇指的方向,就能完全避免因風(fēng)扇旋轉方向而造成元器件散熱的不利影響.
當然了,以上的分析只適用于采用軸流風(fēng)扇進(jìn)行強迫吹風(fēng)冷卻的場(chǎng)合.對于抽風(fēng)冷卻情形,由于風(fēng)扇出風(fēng)口流場(chǎng)的變化對其進(jìn)風(fēng)口沒(méi)有什么影響,因此風(fēng)扇旋轉方向對模塊內部的散熱是沒(méi)有影響的.
舉例:單相輸入有功率因數校正3000W開(kāi)關(guān)電源的散熱設計
良好的散熱方式可有效的減小整機體積,達到合理的功率密度,根據本項目要求散熱主要采用強迫風(fēng)冷方式.在強迫風(fēng)冷的條件下,電源裝置的溫升與單位時(shí)間內流經(jīng)電源裝置的風(fēng)量關(guān)系重大,因些應該使電源結構有通暢的風(fēng)道,減小靜壓損失,其次,應該盡可能使發(fā)熱量高的部件靠近風(fēng)流最快的區域,增強熱交換率,例如熱沉、變壓器、開(kāi)關(guān)管等應當優(yōu)先考慮,最后,還應考慮結構對風(fēng)扇的影響,進(jìn)氣口應盡可能寬暢,出氣口也應減少障礙物,否則可能會(huì )改變正常的風(fēng)扇風(fēng)流方向及大小,影響風(fēng)道的作用.
經(jīng)過(guò)詳細認真的分析研究,本電源采用下面的整體布局,主板、升壓電感、主變壓器、輸出濾波電感均固定在一整體散熱器上,升壓電感、主變壓器、輸出濾波電感成一排固定在散熱器上半部,主板固定在散熱器下半部:主板上的功率器件如功率開(kāi)關(guān)管、輸出整流管通過(guò)鋼板壓條固定在散熱器上,主板上半部放置低元器件、下半部放置高元器件,風(fēng)扇放置在散熱器前中上位置并固定在前面板上,采用前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)方式.通過(guò)以上設計使電源有一良好風(fēng)道并使主要發(fā)熱元件均在高風(fēng)速范圍內,達到了很好的散熱效果,明顯提高了電源可靠性.
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