开关电源的热分析与计算

开关电源的热分析与计算深圳电源技术研讨会邹超洋2011年10月内容提要开关电源热分析与计算的意义热设计的目标热路与温度的计算散热方式分析与选择散热设计的一般原则与步骤热设计仿真介绍总结开关电源热分析与计算的意义高效率，高集成度，高功率密度是电源发展的重要方向，然而对于电源设计人员而言，功率器件跟整个电源系统的热设计，依然是非常有挑战性的工作。如：一台输出700W的全砖模块电源，即使转换效率高达95%，然而依然有近37W的发热量需要处理，如果不仔细分析计算，将会影响整个系统的MTBF与可靠性，严重时甚至可能烧毁功率器件。高温对电源的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落；器件之间的机械应力增大；对开关电源的热分析与计算的积极意义：能精确计算元器件的温升，为电源寿命计算提供依据通过对系统的整体温升分析与计算，为器件的选型与降额设计提供依据通过对元器件热分析与计算，为散热方式与散热器件的选择提供依据能有效控制整体温升，降低元器件的早期失效率，大大提升可靠性确保任何的元器件不超过它的最大工作节温也就是说如何的控制元器件的发热量，如果元器件的发热量得不到有效控制，那么元器件将在几分钟甚至更短的时间里失效。一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降；晶体三极管的电流放大倍数加大；MOSFET的漏源导通电阻增大。方法：a、优选控制方式：软开关技术(QR,LLC,有源钳位),移相控制技术,同步整流b、选用低功耗的器件：CoolMOS,SiCdiode,高磁导率的磁性材料等c、根据应用的场合，做好元器件的降额设计结温的推荐值：根据标准，任何情况下器件的结温不要超出以下值：民用等级：Tjmax≤150℃工业等级：Tjmax≤135℃军用等级：Tjmax≤125℃航天等级：Tjmax≤105℃热设计的目标热设计的目标在给定有限的空间和重量条件下，尽量可能保持元器件良好的散热，使其在所处的工作环境条件下，不超过标准及规范所规定的最高温度。这个目标就是提升系统的长期寿命跟可靠性。有统计资料表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%元器件温升为50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6。而温升每超过10℃，电解电容的寿命就要下降一半。方法：a、优化PCB上元器件的布局，Layoutb、根据系统要求，选用合适的散热方式：传导，辐射，对流c、选用更好的散热器件加强散热：涂硅脂，导热硅胶垫，散热片氧化发黑温升的推荐值：任何情况下，器件与整个电源内部环境以及外壳的温升不要超出60℃即ΔT≤60℃热路实际上是欧姆定律的一个变形，可以与电路等效，在进行热路的分析与计算式，可以参照电路，建立热路模型进行计算热路与温度的计算几个概念：热阻：电子器件耗散的热流在传输过程中(通过一定的介质)所遇到的阻力，是反映阻止热量传递的能力的综合参量。用Rθ表示，单位是℃/W；其特性跟电阻类似，与介质材料的热导率，体积，密度，结构，表面积大小，颜色，几何尺寸与冷却条件等因素有关在热平衡之前，热阻是时间的函数(热抗)，但热稳定之后，热阻跟时间无关Rθ=ΔT/PD其中Rθ是介质之间的热阻ΔT是介质之间的温度差PD是耗散的功率热路与温度的计算热路与温度的计算普通穿孔插件型封装器件的典型热阻热路与温度的计算表面贴片型封装器件的典型热阻热流：也称为热流密度或热流量，指两种介质由于温度的差异而形成的热量传递。用Q表示，单位是J/s(W),其特性类似于电流，总是从温度高的介质传递到温度低的介质，其大小正比于热阻即Q∝(ΔT/Rθ)注：固态散热器的热流是线性，而液态与气态散热的热流是非线性的热容量：是指一定质量的某种物质升高一定温度所需的热量,用C表示，单位为J/K，跟物质本身的比热容有关比热容CT=△E/（m△T）△E为吸收的热量；m是物体的质量；△T是吸热(放热)后温度所上升(下降)的值热容量C=CT*m=△E/△T热路与温度的计算因为Rθca的值很大，对整个热电路的分析影响很小,故可以忽略Rθja≈Rθjc+Rθcs+Rθsa热路与温度的计算功率管与等效热电路模型热路与温度的计算因为Rθca的值很大，对整个热电路的分析影响很小,故可以忽略Rθja≈Rθjc+Rθcs+Rθsa贴片IC与等效热电路模型热路与温度的计算因为RθLa的值很大，对整个热电路的分析影响很小,故可以忽略Rθja≈RθjL+RθLs+Rθsa径向引线二极管与等效热电路模型结温的计算：从以上几个热电路可以看出，结温等于热路中温升之和再加上环境温度。即Tjmax=PD*(Rθjc+Rθcs+Rθsa)+Ta例：某大功率工业电源的PFC电路，经计算IGBT的损耗为15W,升压二极管损耗为17W，两管同时装在一个散热器上；IGBT芯片到外壳的热阻为0.85℃/W，升压二极管到外壳的热阻为1.9℃/W，绝缘矽胶片与散热膏的总热阻为0.7℃/W，散热器的热阻为1.3℃/W；环境温度为60℃，求IGBT与二极管芯片的结温。解：根据题意可以画出等效热电路（略）对于IGBT,有Tjmax1=(15+17)*1.3+(0.85+0.7)*15+60=41.6+23.25+60=124.85℃对于Diode,有Tjmax2=(15+17)*1.3+(1.9+0.7)*17+60=41.6+44.2+60=145.8℃热路与温度的计算散热片的计算：a:散热片的尺寸：可以求出散热片的热阻，再根据厂商提供的散热片参数选择合适的散热片。即Rθsa=(Tjmax-Ta)/PD-(Rθjc+Rθcs)例：某军工电源，现经计算主功率MOSFETIRFP460的总损耗为7.6W,装在散热器上自然冷却；经查手册，Rθjc为0.45℃/W，Rθcs为0.24℃/W，绝缘矽胶片与散热膏的总热阻为0.7℃/W，当环境温度为60℃时，要求所有器件的结温不能超过125℃，求散热片的尺寸。解：根据题意可以画出等效热电路（略）对于MOSFET,有Rθsa=(Tjmax-Ta)/PD-(Rθjc+Rθcs)=(125-60)/7.6-(0.45+0.24+0.7)=7.16℃/W然后参照散热片厂家的数据，结合电源结构要求寻找合适的散热器热路与温度的计算b、散热器温度与耗散功率的计算根据热电路可以得出散热器温度的计算公式Ths=PD*Rθsa+Ta同样可以得出耗散功率的计算公式PD=(Ths+Ta)/Rθsa热路与温度的计算焊盘大小对散热的影响：如右图是PCB上铜箔厚度为2OZ(约70um56.7g)焊盘面积与热阻的对应关系，由图可以看出，当散热焊盘面积大于0.2in2时，热阻对应约0.5℃/W,即使再继续加大焊盘面积，但热阻基本不变，也就是说对散热不再有帮助，所以说散热焊盘的面积也不越大越好。开关电源中的发热量较大的元件功率开关管：开通损耗，导通损耗，关断损耗整流二极管：正向导通损耗，反向恢复损耗变压器、电感：铁损，铜损电容，功率电阻等无源元件：欧姆热损耗散热的常用方式与器件常用的方式：热传导，热辐射，热对流，蒸发散热散热器件：PCB铜箔，散热器（铜，铝，铁），风扇冷却，水冷，油冷，半导体制冷，热管散热方式分析与选择传导散热：具有温度差异的两个直接接触的物体或物体内部个部分之间发生的热传递。本质是分子动能的相互传递。散热方式分析与选择其中：P：传递的热流（功率）(W)A：与热传输方向垂直的单元端面积(cm2)L：热传输单元的长度(cm)(T1-T2)：热传输单元两边的温度差(℃)K：材料的导热率，量纲为W/(cm2•℃)辐射散热：借助于电磁波(红外线)的形式将热量传递出去，不需要任何的介质，传播方向为直线，可以在真空中传播。例如太阳的热量通过热辐射到达地球。根据史蒂芬•玻尔兹曼定律散热方式分析与选择P：传递的热流（功率）(W)A：辐射表面的面积(cm2)e：表面发射率，与辐射物体的表面粗燥度以及颜色有关。Ts:辐射表面温度(℃)Ta：环境温度(℃)辐射换热的考虑原则如果物体表面的温度低于50℃，可忽略颜色对辐射换热的影响。因为此时辐射波长相当长，处于不可见的红外区。而在红外区，一个良好的发射体也是一个良好的吸收体，发射率和吸收率与物体表面的颜色无关。对于强迫风冷，由于散热表面的平均温度较低，一般可忽略辐射换热的贡献。如果物体表面的温度低于50℃，可不考虑辐射换热的影响。好的热辐射器，同样是好的热吸收器，所以应该避免太阳光的直射。辐射换热面积计算时，如表面积不规则，应采用投影面积。即沿表面各部分绷紧绳子求得的就是这一投影面积，如图所示。辐射传热要求辐射表面必须彼此可见。散热方式分析与选择对流换热：对流换热是指流体与其相接触的流体或固体表面，而且具有不同温度时，所发生的热量转移过程。对流换热的计算一般采用牛顿所提出的公式：Φ=αA(T1－T2)(W)其中A为与流体接触的壁面面积(m2)α为对流换热系数T1为壁面温度(K)T2为流体平均温度(K)从上面的公式可以看出，在热对流传递中，热量传递的数量跟热对流系数、有效接触面积以及温度差成正比，热对流系数越大，有效接触面积越大，温差越高，所能带走的热量就越多。根据流体产生流动的原因不同，分为自然对流与强迫对流。散热方式分析与选择自然对流：热量通过热传导的方式传给与它紧靠在一起的流体层，这层流体受热后，体积膨胀，密度变小，向上流动，周围的密度大的流体流过来填充，填充过来的流体吸热膨胀向上，如此循环，不断从发热元器件表面带走热量散热方式分析与选择大功率机柜电源风道小功率电源自然对流散热风道设计技巧：a：如果采用直齿结构散热片，则散热片必须垂直放置。b：小型机壳电源一般是紊流散热，可以在散热底座下开小孔，以便在一定区域内增强散热效果。c：大型机柜电源，不能有漏风口，要给风道留有一定的空间。d：在散热器前端加入扰流片,引入紊流可显著的提高散热效果强迫对流：热源将热量以热传导方式传至导热介质，再由介质传至散热片基部，由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散发到空气中。风道的设计原则：风道尽可能短，缩短风道长度可以降低风道的阻力；尽可能采用直线形风道设计，局部阻力小；风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；进风口的结构设计尽量使其对气流的阻力最小，还要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源.如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。散热方式分析与选择海拔高度对自然对流热设计的影响及解决对策随着海拔高度的增加，空气的密度逐渐减小，空气上升的能力也就减少，自然对流换热的能力减弱。自然对流换热能力的变化最终体现在对流换热系数的变化上，根据美国斯坦伯格的经验公式，如果忽略空气温度的变化，可按下式计算海拔高度对自然对流的影响强弱。hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.5=hc(海平面)(p高空/p海平面)0.5hc(高空),hc(海平面)－分别为高空及海平面的自然对流换热系数，W/m.kρ高空，ρ海平面－分别为高空及海平面的空气密度，Kg/m3p高空，p海平面－分别为高空及海平面的空气压力，帕斯卡解决措施：预先计算出海拔高度对自然对流换热系数的影响大小，通过增加相应的对流换热面积来弥补高空换热能力的减弱，按下式计算：F对流(高空)＝F对流(海平面)/(ρ高空/ρ海平面)0.5散热方式分析与选择海拔高度对强迫对流热设计的影响及解决对策由于随着海拔高度的增加，空气密度减小，质量流速减小，空气分子间碰撞的概率降低，对流换热能力减弱。同样，强迫对流换热随海拔高度的变化最终体现在对流换热系数的变化上，美国军用标准规定，低于5000米以下的高空，如果忽略空气温度的变化，可按下式计算海拔高度对强迫风冷换热影响的强弱。层流：hc(高空)＝hc(海平