淺析高頻開關(guān)電源的熱設(shè)計

摘要：闡述了高頻開關(guān)電源熱設(shè)計的一般原則，著重分析了開關(guān)電源散熱器的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)電源；熱設(shè)計；散熱器

 Thermal Design for High- frequency Switching Power Supply

CHEN Yi- long 

Abstract:The fundamental of thermal design for high-frequency switching power supply is introduced,and the thermal structure design of radiator is emphatically analyzed.

 Keywords:High-frequency switching power supply; Thermal design; Radiator 

1  引言

    電子產(chǎn)品對工作溫度一般均有嚴(yán)格的要求。電源設(shè)備內(nèi)部過高的溫升將會導(dǎo)致對溫度敏感的半導(dǎo)體器件、電解電容等元器件的失效。當(dāng)溫度超過一定值時，失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。有統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10％；溫升50℃時的壽命只有溫升為25℃時的1/6。所以電子設(shè)備均會遇到控制整個機(jī)箱及內(nèi)部元器件溫升的要求，這就是電子設(shè)備的熱設(shè)計。而高頻開關(guān)電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設(shè)備，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素，為此對整體的熱設(shè)計有嚴(yán)格要求。完整的熱設(shè)計包括兩方面：如何控制熱源的發(fā)熱量；如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。最終目的是如何將達(dá)到熱平衡后的電子設(shè)備溫度控制在允許范圍以內(nèi)。

2  發(fā)熱控制設(shè)計

    開關(guān)電源中主要的發(fā)熱元器件為半導(dǎo)體開關(guān)管（如MOSFET、IGBT、GTR、SCR等），大功率二極管（如超快恢復(fù)二極管、肖特基二極管等），高頻變壓器、濾波電感等磁性元件以及假負(fù)載等。針對每一種發(fā)熱元器件均有不同的控制發(fā)熱量的方法。

2.1  減少功率開關(guān)的發(fā)熱量

    開關(guān)管是高頻開關(guān)電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減少它的發(fā)熱量，不僅可以提高開關(guān)管自身的可靠性，而且也可以降低整機(jī)溫度，提高整機(jī)效率和平均無故障時間（MTBF）。開關(guān)管在正常工作時，呈開通、關(guān)斷兩種狀態(tài)，所產(chǎn)生的損耗可細(xì)分成兩種臨界狀態(tài)產(chǎn)生的損耗和導(dǎo)通狀態(tài)產(chǎn)生的損耗。其中導(dǎo)通狀態(tài)的損耗由開關(guān)管本身的通態(tài)電阻決定?？梢酝ㄟ^選擇低通態(tài)電阻的開關(guān)管來減少這種損耗。MOSFET的通態(tài)電阻較IGBT的大，但它的工作頻率高，因此仍是開關(guān)電源設(shè)計的首選器件。現(xiàn)在IR公司新推出的IRL3713系列HEXFET(六角形場效應(yīng)晶體管)功率MOSFET已將通態(tài)電阻做到3mΩ，從而使這些器件具有更低的傳導(dǎo)損失、柵電荷和開關(guān)損耗。美國APT公司也有類似的產(chǎn)品。開通和關(guān)斷兩種臨界狀態(tài)的損耗也可通過選擇開關(guān)速度更快、恢復(fù)時間更短的器件來減少。但更為重要的則是通過設(shè)計更優(yōu)的控制方式和緩沖技術(shù)來減少損耗，這種方法在開關(guān)頻率越高時越能體現(xiàn)出優(yōu)勢來。如各種軟開關(guān)技術(shù)，能讓開關(guān)管在零電壓、零電流狀態(tài)下開通或關(guān)斷，從而大大減少了這兩種狀態(tài)產(chǎn)生的損耗。而一些生產(chǎn)廠家從成本上考慮仍采用硬開關(guān)技術(shù)，則可以通過各種類型的緩沖技術(shù)來減少開關(guān)管的損耗，提高其可靠性。

2.2  減少功率二極管的發(fā)熱量

    高頻開關(guān)電源中，功率二極管的應(yīng)用有多處，所選用的種類也不同。對于將輸入50Hz交流電整流成直流電的功率二極管以及緩沖電路中的快恢復(fù)二極管，一般情況下均不會有更優(yōu)的控制技術(shù)來減少損耗，只能通過選擇高品質(zhì)的器件，如采用導(dǎo)通壓降更低的肖特基二極管或關(guān)斷速度更快且軟恢復(fù)的超快恢復(fù)二極管，來減少損耗，降低發(fā)熱量。高頻變壓器二次側(cè)的整流電路還可以采用同步整流方式，進(jìn)一步減少整流壓降損耗和發(fā)熱量，但它們均會增加成本。所以生產(chǎn)廠家如何掌握性能與成本之間的平衡，達(dá)到性價比最高是個很值得研究的問題。

2.3  減少高頻變壓器與濾波電感等磁性元件的發(fā)熱

    高頻開關(guān)電源中不可缺少地應(yīng)用了各種磁性元件，如濾波器中的扼流圈、儲能濾波電感，隔離型的電源還有高頻變壓器。它們在工作中會產(chǎn)生或多或少的銅損、鐵損，這些損耗以發(fā)熱的方式散發(fā)出來。尤其是電感和變壓器，線圈中所流的高頻電流由于趨膚效應(yīng)的影響，會使銅損成倍增加，這樣電感、變壓器所產(chǎn)生的損耗成為不可忽視的一部分。因此在設(shè)計上要采用多股細(xì)漆包線并聯(lián)纏繞，或采用寬而薄的銅片纏繞，以降低趨膚效應(yīng)造成的影響。磁芯一般選用高品質(zhì)鐵氧體材質(zhì)，如日本生產(chǎn)的TDK磁性材料。型號的選擇上要留有一定的余量，防止出現(xiàn)磁飽和。

2.4  減少假負(fù)載的發(fā)熱量

    大功率開關(guān)電源為避免空載狀態(tài)引起的電壓升高，往往設(shè)有假負(fù)載——大功率電阻，帶有源PFC單元的電源更是如此。開關(guān)電源工作時，假負(fù)載要通過少量電流，不但會降低開關(guān)電源的效率，而且其發(fā)熱量也是影響整機(jī)熱穩(wěn)定性的因素。假負(fù)載在印制板（PCB）上的位置往往與輸出濾波用的電解電容靠得很近，而電解電容對溫度極為敏感。因此很有必要降低假負(fù)載的發(fā)熱量。比較可行的辦法是將假負(fù)載設(shè)計成阻抗可變方式。通過對開關(guān)電源輸出電流的檢測來控制假負(fù)載阻抗的大小，當(dāng)電源處于正常負(fù)載時，假負(fù)載退出消耗電流狀態(tài)；空載時，假負(fù)載消耗電流最大。這樣既不會影響電源空載時的穩(wěn)定性，也不會降低電源的效率和產(chǎn)生大量不必要的熱量。

3  散熱設(shè)計

3.1  散熱的基本方式及其計算方法

    散熱有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流換熱和熱輻射。

    1）熱傳導(dǎo)  靠物體直接接觸或物體內(nèi)部各部分之間發(fā)生的傳熱即是熱傳導(dǎo)。其機(jī)理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分之間、分子動能的相互傳遞。熱傳導(dǎo)與電流的概念非常類似，熱量總是從溫度高的地方傳導(dǎo)到溫度低的地方，熱傳導(dǎo)過程中有熱阻存在如同電流流動過程中有電阻一樣。其熱流量Φ=[W]，式中Rt為熱阻，τ為溫度差。而熱阻Rt=[K/W]，式中δ為導(dǎo)體厚度，λ為熱導(dǎo)率，A為導(dǎo)體截面積。這樣，在開關(guān)電源設(shè)計中，可以由發(fā)熱源的耗散功率，求出溫升τ=ΦRt。由于實際應(yīng)用中，熱流量從熱源出發(fā)到達(dá)散熱器往往要經(jīng)過幾種不同材料的熱導(dǎo)體，即存在不同熱阻的串聯(lián)，在計算時，總熱阻為多個熱阻的和。

    2）對流換熱  熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳給與它緊靠在一起的流體層，這層流體受熱后，體積膨脹，密度變小，向上流動，周圍的密度大的流體流過來填充，填充過來的流體吸熱膨脹向上流動，如此循環(huán)，不斷從發(fā)熱元器件表面帶走熱量，這一過程稱為對流換熱。對流換熱的計算一般采用牛頓所提出的公式：Φ=αA(θ1－θ2)[W]，其中A為與流體接觸的壁面面積[m2]，α為對流換熱系數(shù)，θ1為壁面溫度[K]，θ2為流體平均溫度[K]。由此可見，熱流量Φ與對流換熱系數(shù)α，截面積A及固體表面與流體的溫度差（θ1－θ2）的乘積成正比。對流換熱是一種復(fù)雜的熱傳遞過程，它不僅決定于熱的過程，而且決定于氣體的動力學(xué)過程。簡單地說，影響對流換熱的因素有兩個方面：（1）流體的物理性質(zhì)，如密度、粘度、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱等；（2）流體的流動情況，是自然對流還是強(qiáng)迫對流，是層流還是紊流。因為層流時，熱傳遞主要依靠互不相干的流層之間導(dǎo)熱；而紊流時，則在緊貼壁面的層流底層之外，流體產(chǎn)生漩渦加強(qiáng)了熱傳遞作用。一般而言，在其它條件相同情況下，紊流的換熱系數(shù)比層流的換熱系數(shù)大好幾倍，甚至更多。

    3）熱輻射  由于溫差引起的電磁波傳播稱為熱輻射。它的過程比熱傳導(dǎo)和對流換熱復(fù)雜得多。它是將物體的一部分熱能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量，通過能傳遞電磁波的介質(zhì)如空氣、真空等，向四周傳播出去，當(dāng)遇到其它物體時，則一部分被吸收再轉(zhuǎn)化為熱能，剩下的則被反射回來。各種物體所散發(fā)出來的紅外線，即是熱輻射的一種。在真空或空氣中，物體輻射出去的輻射能力Φ，決定于物體的性質(zhì)、表面狀況（如顏色、粗糙度等）、表面積大小及表面溫度等。Φ=εσbA(T14－T24)其中σb為波爾茲曼常數(shù)，值為5.67×10－8，A為輻射表面積[m2]，T為兩物體表面的絕對溫度[K],ε為表面黑度。物體表面顏色越深，越粗糙，輻射能力越強(qiáng)。

3.2  開關(guān)電源中各發(fā)熱源的主要散熱方式

    開關(guān)電源中各發(fā)熱源，如整流橋、功率開關(guān)管、快恢復(fù)二極管、磁性元件以及作為假負(fù)載的大功率電阻等，這些元器件所產(chǎn)生的熱量必須設(shè)法散發(fā)出去，一般熱設(shè)計所采用的散熱方式主要是傳導(dǎo)換熱和對流換熱。即所有發(fā)熱元器件均先固定在散熱器上，熱量通過熱傳導(dǎo)方式傳遞給散熱器，散熱器上的熱量再通過對流換熱的方式由空氣帶出機(jī)箱。實際的散熱情況為三種傳熱方式的綜合，可以用牛頓公式來統(tǒng)一表達(dá)：Φ=KSτ，其中S為散熱表面積，K為表面散熱系數(shù)。表面散熱系數(shù)通常由試驗確定，在一般的工程流體力學(xué)中有數(shù)據(jù)可查。它把傳熱的三種形式全部統(tǒng)一起來了。

    通過Φ=KSτ，我們可以在計算出耗散功率以后，根據(jù)允許溫升τ來確定散熱表面積S，并由此而確定所要選用的散熱器。這種計算對于提高開關(guān)電源的可靠性、功率密度、性價比等都有著重要意義。在相當(dāng)多的情況下，生產(chǎn)廠家為了降低電源模塊的成本，往往采用通用型的散熱器，這些散熱器的設(shè)計并不一定非常合適。對于特定的要求高可靠性的通信用高頻開關(guān)電源來說，有針對性地設(shè)計專門的散熱器就顯得很重要。例如新西蘭的一種用于通信電源系統(tǒng)的整流模塊Intergy R2948（48V/60A）單模塊輸出功率2900W，它所采用的風(fēng)冷散熱為前進(jìn)風(fēng)，斜上出風(fēng)方式，其散熱器為專門設(shè)計。它最突出的特點是散熱器上的散熱片均呈一定的斜角，可將流過的空氣導(dǎo)向斜上方，這種流向符合熱空氣由下往上流動的物理特性，這樣在相同散熱功率下，可以降低對空氣流速的要求。同時，散熱片為鑄鋁磨砂外型，表面粗糙度大，這種外形在底流速的空氣中，更容易使層流轉(zhuǎn)變成紊流，進(jìn)而提高換熱系數(shù)。綜合這兩種特性，可以大大提高散熱器的散熱效率，從而在相同功率輸出和其它外界條件下，降低了對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的要求，如果再采取風(fēng)扇隨功率輸出大小的無級調(diào)速，便可提高風(fēng)扇的壽命。而對整流模塊來說，風(fēng)扇的MTBF是所有元器件中最低的，一直都是制約整流模塊提高M(jìn)TBF的瓶頸，所以采取各種措施提高散熱效率來延長風(fēng)扇壽命就具有非常積極的意義。原華為電氣公司，現(xiàn)在的艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司的部分產(chǎn)品也有類似設(shè)計，說明這種設(shè)計方法正被越來越多的電源廠家采用。由于這種散熱器需要定做，根據(jù)用戶要求加工模具，故成本高一些，但對提高電源的可靠性還是相當(dāng)有益的。

4  結(jié)語

    綜上所述，在高頻開關(guān)電源的熱設(shè)計方面，需要考慮發(fā)熱和散熱兩方面的情況，優(yōu)先采用降低發(fā)熱的各類技術(shù)，同時提高整機(jī)尤其是散熱器的散熱效率。這種設(shè)計思想從部分廠家的電源模塊上得到了驗證，為從事電源設(shè)計的人員提供了一點可以借鑒的設(shè)計方法。