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開關電源已普遍運用在當前的各類電子設備上,其單位功率密度也在不斷地提高,目前已高達數百瓦每立方英寸.由于開關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、大功率三極管或場效應管等器件。高功率密度是開關電源發展的方向之一，它們工作時會產生大量的熱量,通過熱設計盡可能減少電源內部產生的熱量、減少熱阻以提高效率外、選擇合理的冷卻方式是開關電源熱設計的基本任務.開關電源除了電應力之外,溫度是影響開關電源可靠性最重要的因素.開關電源內部的溫升將導致元器件的失效,當溫度超過一定值時,失效率將呈指數規律增加,溫度超過極限值時將導致元器件失效如果不能把這些熱量及時地排出并使之處于一個合理的水平將會影響開關電源的正常工作,嚴重時會損壞開關電源.為提高開關電源工作的可靠性,熱設計在開關電源設計中是必不可少的重要一個環節。
溫度和故障率的關系是成正比的,可以用下式來表示:F=Ae-E/KT其中:F=故障率,A=常數,E=功率,K=玻爾茲曼常量(8.63e-5eV/K),T=結點溫度.
為解決此問題可從兩方面入手:
1)從電路結構上減少損耗,如采用更優的控制方式和技術,如高頻軟開關技術、移相控制技術、同步整流技術等,另外就是選用低功耗的器件,減少發熱器件的數目,加大加粗印制線的寬度,提高電源的效率;
2)運用更有效的散熱技術,利用傳導、輻射、對流技術將熱量轉移,這包括采用散熱器、風冷(自然對流和強迫風冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等方法.在較大功率開關電源中的主要散熱方式是強制風冷,因此提高強制風冷效果的技術就成了研究的重點.合理的風道設計和在散熱器前端加入擾流片引入紊流可顯著的提高。
1.熱設計中常用的幾種方法：為了將發熱器件的熱量盡快地發散出去,一般從以下幾個方面進行考慮: 使用散熱器、冷卻風扇、金屬pcb、散熱膏等.在實際設計中要針對客戶的要求及最佳費/效比合理地將上述幾種方法綜合運用到電源的設計中。
2.半導體器件的散熱器設計：由于半導體器件所產生的熱量在開關電源中占主導地位,其熱量主要來源于半導體器件的開通、關斷及導通損耗.從電路拓撲方式上來講,采用零開關變換拓撲方式產生諧振使電路中的電壓或電流在過零時開通或關斷可最大限度地減少開關損耗但也無法徹底消除開關管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法. 濰柴集團
3、自然風冷與強制風冷：在開關電源的實際設計過程中，通常采用自然風冷與風扇強制風冷二種形式。自然風冷的散熱片安裝時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圍鉆幾個通氣孔便于空氣的對流。
4、金屬pcb：隨著開關電源的小型化，表面貼片元件廣泛地運用到實際產品中，這時散熱片難于安裝到功率器件上。當前克服該問題主要采取金屬pcb作為功率器件的載體，主要有鋁基覆銅板、鐵基覆銅板，金屬pcb的散熱性遠好于傳統的pcb且可以貼裝smd元件。另有一種銅芯pcb，基板的中間層是銅板絕緣層采用高導熱的環氧玻纖布粘結片或高導熱的環氧樹脂，它是可以雙面貼裝smd元件，大功率smd元件可以將smd自身的散熱片直接焊接在金屬pcb上，利用金屬pcb中的金屬板來散熱。
總之開關電源的熱設計應充分考慮產品所處的工 作環境及實際的工作狀態并將上述幾種方法綜合運用才能設計出既經濟又能充分保證半導體散熱的開關電源產品。
編輯：xiaorecollect |
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發表于 2011-12-6 12:14:09
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