淺析高頻開關電源的熱設計

摘要：闡述了高頻開關電源熱設計的一般原則，著重分析了開關電源散熱器的熱結構設計。

關鍵詞：高頻開關電源；熱設計；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

電子產品對工作溫度一般均有嚴格的要求。電源設備內部過高的溫升將會導致對溫度敏感的半導體器件、電解電容等元器件的失效。當溫度超過一定值時，失效率呈指數規(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。所以電子設備均會遇到控制整個機箱及內部元器件溫升的要求，這就是電子設備的熱設計。而高頻開關電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設備，溫度更是影響其可靠性的最重要的因素，為此對整體的熱設計有嚴格要求。完整的熱設計包括兩方面：如何控制熱源的發(fā)熱量；如何將熱源產生的熱量散出去。最終目的是如何將達到熱平衡后的電子設備溫度控制在允許范圍以內。

2 發(fā)熱控制設計

開關電源中主要的發(fā)熱元器件為半導體開關管（如MOSFET、IGBT、GTR、SCR等），大功率二極管（如超快恢復二極管、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 減少功率開關的發(fā)熱量

開關管是高頻開關電源中發(fā)熱量較大的器件之一，減少它的發(fā)熱量，不僅可以提高開關管自身的可靠性，而且也可以降低整機溫度，提高整機效率和平均無故障時間（MTBF）。開關管在正常工作時，呈開通、關斷兩種狀態(tài)，所產生的損耗可細分成兩種臨界狀態(tài)產生的損耗和導通狀態(tài)產生的損耗。其中導通狀態(tài)的損耗由開關管本身的通態(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，因此仍是開關電源設計的首選器件?，F(xiàn)在IR公司新推出的IRL3713系列HEXFET(六角形場效應晶體管)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損失、柵電荷和開關損耗。美國APT公司也有類似的產品。開通和關斷兩種臨界狀態(tài)的損耗也可通過選擇開關速度更快、恢復時間更短的器件來減少。但更為重要的則是通過設計更優(yōu)的控制方式和緩沖技術來減少損耗，這種方法在開關頻率越高時越能體現(xiàn)出優(yōu)勢來。如各種軟開關技術，能讓開關管在零電壓、零電流狀態(tài)下開通或關斷，從而大大減少了這兩種狀態(tài)產生的損耗。而一些生產廠家從成本上考慮仍采用硬開關技術，則可以通過各種類型的緩沖技術來減少開關管的損耗，提高其可靠性。

2.2 減少功率二極管的發(fā)熱量

高頻開關電源中，功率二極管的應用有多處，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二極管，一般情況下均不會有更優(yōu)的控制技術來減少損耗，只能通過選擇高品質的器件，如采用導通壓降更低的肖特基二極管或關斷速度更快且軟恢復的超快恢復二極管，來減少損耗，降低發(fā)熱量。高頻變壓器二次側的整流電路還可以采用同步整流方式，進一步減少整流壓降損耗和發(fā)熱量，但它們均會增加成本。所以生產廠家如何掌握性能與成本之間的平衡，達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

高頻開關電源中不可缺少地應用了各種磁性元件，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的影響，會使銅損成倍增加，這樣電感、變壓器所產生的損耗成為不可忽視的一部分。因此在設計上要采用多股細漆包線并聯(lián)纏繞，或采用寬而薄的銅片纏繞，以降低趨膚效應造成的影響。磁芯一般選用高品質鐵氧體材質，如日本生產的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 減少假負載的發(fā)熱量

大功率開關電源為避免空載狀態(tài)引起的電壓升高，往往設有假負載——大功率電阻，帶有源PFC單元的電源更是如此。開關電源工作時，假負載要通過少量電流，不但會降低開關電源的效率，而且其發(fā)熱量也是影響整機熱穩(wěn)定性的因素。假負載在印制板（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載的發(fā)熱量。比較可行的辦法是將假負載設計成阻抗可變方式。通過對開關電源輸出電流的檢測來控制假負載阻抗的大小，當電源處于正常負載時，假負載退出消耗電流狀態(tài)；空載時，假負載消耗電流最大。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生大量不必要的熱量。

3 散熱設計

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、對流換熱和熱輻射。

1）熱傳導 靠物體直接接觸或物體內部各部分之間發(fā)生的傳熱即是熱傳導。其機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。熱傳導與電流的概念非常類似，熱量總是從溫度高的地方傳導到溫度低的地方，熱傳導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為導體厚度，λ為熱導率，A為導體截面積。這樣，在開關電源設計中，可以由發(fā)熱源的耗散功率，求出溫升τ=ΦRt。由于實際應用中，熱流量從熱源出發(fā)到達散熱器往往要經過幾種不同材料的熱導體，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，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，如密度、粘度、膨脹系數、熱導率、比熱等；（2）流體的流動情況，是自然對流還是強迫對流，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熱；而紊流時，則在緊貼壁面的層流底層之外，流體產生漩渦加強了熱傳遞作用。一般而言，在其它條件相同情況下，紊流的換熱系數比層流的換熱系數大好幾倍，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。它的過程比熱傳導和對流換熱復雜得多。它是將物體的一部分熱能轉換成電磁波的能量，通過能傳遞電磁波的介質如空氣、真空等，向四周傳播出去，當遇到其它物體時，則一部分被吸收再轉化為熱能，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、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，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。

3.2 開關電源中各發(fā)熱源的主要散熱方式

開關電源中各發(fā)熱源，如整流橋、功率開關管、快恢復二極管、磁性元件以及作為假負載的大功率電阻等，這些元器件所產生的熱量必須設法散發(fā)出去，一般熱設計所采用的散熱方式主要是傳導換熱和對流換熱。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：Φ=KSτ，其中S為散熱表面積，K為表面散熱系數。表面散熱系數通常由試驗確定，在一般的工程流體力學中有數據可查。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電源的可靠性、功率密度、性價比等都有著重要意義。在相當多的情況下，生產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電源來說，有針對性地設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，它所采用的風冷散熱為前進風，斜上出風方式，其散熱器為專門設計。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，更容易使層流轉變成紊流，進而提高換熱系數。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，降低了對風扇轉速的要求，如果再采取風扇隨功率輸出大小的無級調速，便可提高風扇的壽命。而對整流模塊來說，風扇的MTBF是所有元器件中最低的，一直都是制約整流模塊提高MTBF的瓶頸，所以采取各種措施提高散熱效率來延長風扇壽命就具有非常積極的意義。原華為電氣公司，現(xiàn)在的艾默生網絡能源公司的部分產品也有類似設計，說明這種設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有益的。

4 結語

綜上所述，在高頻開關電源的熱設計方面，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，同時提高整機尤其是散熱器的散熱效率。這種設計思想從部分廠家的電源模塊上得到了驗證，為從事電源設計的人員提供了一點可以借鑒的設計方法。