開(kāi)關(guān)電源的幾種熱設計方法

開(kāi)關(guān)電源已普遍運用在當前的各類(lèi)電子設備上,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,目前已高達數百瓦每立方英寸.由于開(kāi)關(guān)電源中使用了大量的大功率半導體器件,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(kāi)關(guān)電源的正常工作,嚴重時(shí)會(huì )損壞開(kāi)關(guān)電源.為提高開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性,熱設計在開(kāi)關(guān)電源設計中是必不可少的重要一個(gè)環(huán)節。

2.熱設計中常用的幾種方法

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)際設計中要針對客戶(hù)的要求及最佳費/效比合理地將上述幾種方法綜合運用到電源的設計中。

　　
3.半導體器件的散熱器設計

由于半導體器件所產(chǎn)生的熱量在開(kāi)關(guān)電源中占主導地位,其熱量主要來(lái)源于半導體器件的開(kāi)通、關(guān)斷及導通損耗.從電路拓撲方式上來(lái)講,采用零開(kāi)關(guān)變換拓撲方式產(chǎn)生諧振使電路中的電壓或 電流在過(guò)零時(shí)開(kāi)通或關(guān)斷可最大限度地減少開(kāi)關(guān)損耗但也無(wú)法徹底消除開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的重要部件,它的散熱效率高與低關(guān)系到開(kāi)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

       半導體結溫公式如下式如示：
　
       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: 功率管節溫
       Tjmax: 功率管最大容許節溫
       Ta: 環(huán)境溫度
       Tc: 預定的工作環(huán)境溫度
       θs : 絕緣墊熱阻抗
       θc : 接觸熱阻抗(半導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 : 內部熱阻抗(PN結接合部與外殼封裝)
       θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)

根據圖2熱阻等效回路, 全熱阻可寫(xiě)為:

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

又因為θb比θs +θc+θf(wàn)大很多,故可近似為

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

①PN結與外部封裝間的熱阻抗(又叫內部熱阻抗) θi是由半導體PN結構造、所用材料、外部封裝內的填充物直接相關(guān).每種半導體都有自身固有的熱阻抗.

②接觸熱阻抗θc是由半導體、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 )對它產(chǎn)生影響。當接觸面不平整、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熱性，可以大大降低接觸熱阻抗θc。

當前有一種新型的相變材料，專(zhuān)門(mén)設計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，但沒(méi)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。典型應用包括CPU散熱片，功率轉換模塊或者其它任何簧片固定的硅油應用場(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?chē)臏囟炔钣嘘P(guān)。因此一般都會(huì )設法增強散熱器的散熱效果，主要的方法有增加散熱器的表面積、設計合理的散熱風(fēng)道、增強散熱器表面的風(fēng)速。散熱器的散熱面積設計值如下圖所示：

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適當增大，選擇強制風(fēng)冷則可適當減小叉指間距。如上圖所示：

⑤散熱器表面積計算

S=0.86W/(ΔT*α)　(m2)

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

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

　　Nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr

　　V：動(dòng)粘性系數（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,見(jiàn)下表

3.2 散熱設計舉例

[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

根據上述計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計圖中可以查到: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)際運用中，Tjmax必須降額使用，以80%額定節溫來(lái)代替Tjmax確保功率管的可靠工作。

4、自然風(fēng)冷與強制風(fēng)冷

在開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際設計過(guò)程中，通常采用自然風(fēng)冷與風(fēng)扇強制風(fēng)冷二種形式。自然風(fēng)冷的散熱片安裝時(shí)應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?chē)@幾個(gè)通氣孔便于空氣的對流。
　　
強制風(fēng)冷是利用風(fēng)扇強制空氣對流，所以在風(fēng)道的設計上同樣應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：