开关电源的热设计.ppt
开关电源的热设计散热设计1散热设计计算机机箱内的热分布及风冷气流计算机机箱风冷时的热分布每超过室温10度，元器件的寿命将下降一半散热设计2效率n输入输出电压高，容易高效n额定功率大，容易高效n高效的变压器尺寸较大n中小功率范围内，效率很难超越95%n2W以下的功率等级，70%已经很高nCMOS好于TTL散热设计3散热途径传导、对流、辐射。传导、对流、辐射。高温高温 低温低温热气上行散热设计4常用元器件的允许工作温度元器件名称元器件名称表面允表面允许许温度温度元器件名称元器件名称表面允表面允许许温度温度碳膜碳膜电电阻阻120瓷介瓷介电电容容8085金属膜金属膜电电阻阻100玻璃釉玻璃釉电电容容100压压制制线绕电线绕电阻阻150锗锗晶体管晶体管70100涂釉涂釉线绕电线绕电阻阻225硅晶体管硅晶体管150200纸纸介介电电容容7585硒整流器硒整流器7585电电解解电电容容6085电电子管子管15200薄膜薄膜电电容容60130变压变压器、扼流器、扼流圈圈95散热设计5热阻概念RPdTjR 自然大气空间TaoC/W热阻温度差/热源功率串并联方法与电阻相同串并联方法与电阻相同散热设计6热热量量单单位参数位参数单位电电模模拟拟单位时间时间ts时间时间ts温度差温度差Td电势电势差差PdV热热阻阻R/W电电阻阻R热导热导率率KW/电导电导率率S热热能能PqJ电电能能PJ热热流流QJ/s(W)电电流流IA热热容量容量ChJ/电电容容CF散热设计7 (1)选用耐热性和热稳定性好的元器件和材料，以提高其允许的工作温度。如选用耐热性能较好的硅三极管取代热性能较差的锗三极管、触点材料尽量以铂银取代铜。(2)减小电源内部的发热量。为此，应尽量选用小功率执行元件，如用晶体管代替真空管，选用小功率变压器或者不用变压器，多选用微功耗器件并在电路设计中尽量减少发热元器件的数量，选取热负荷时应留有适当的储备量。(3)用冷却的方法降低环境温度加快散热速度。在室温下，对热阻的要求不大于30W时,可不考虑散热问题。对热阻的要求在5W-4W时,可用叉指形散热器散热。在4oCW一0.2oCW时，可用型材散热器。在1W一0.05W时，可用强制风冷。在0.1oCW一0.02oCW时，可用水冷。当对热阻的要求低于0.02W时，可考虑用热管.散热设计的要求散热设计8 一般地，三极管的PC(max)是在保持管壳温度Ta=25不变，Tj达到150条件下确定的功耗值，因此可用下式 /W求出R越大，一定结温下Pcmax散热设计9常见封装外壳的热阻元件要向大气散发热量，其热阻是Rc-a，To-220型热阻为60/w，不采用散热器时，功率封装只能耗散最大功率的5%以下，包括表面贴装时以PCB板散热的情况。散热设计10常见封装外壳的热阻(续)To-3P为40/w，To-3为30/w，散热设计11器件手册里的相关参数散热设计12传导散热n1、导热体传导(导热定律)nK-热导率nA-截面积nL-导热路径长度散热设计13各种材料的热导率(W/cmC)材料材料铝铝纯铜纯铜铁铁三氧三氧化化二二铝铝热导热导率率K1.553.980.590.36材料材料塑料塑料水水空气空气硅脂硅脂热导热导率率K0.0050.00670.000260.002散热设计14传导散热n2、界面传导nhi-界面的热导系数n与光洁度、表面受压大小、填充材料有关散热设计15接触热阻()参考数据R(C-S)垫片材料 垫片厚度 接触热阻R(C-S)(oC/W)加硅脂 无硅脂 无垫片铝泊铜泊云母聚酯薄膜氧化铍瓷片氧化铝瓷片氮化硼瓷片0.020.030.120.024.01.881.50.240.40.60-0.610.30-0.310.50.46-0.490.330.28-0.300.30-0.320.80.97-1.040.65-0.681.00-1.16散热设计16 RJC RDBCTjRsolder1Rheat-sinkTfluidRfluidRsolder2散热设计17器件的热阻等效电路PdTjTCTaR(j-C)R(C-a)R(C-S)R(S-a)自然大气空间结到外壳外壳到空气外壳到散热器散热器到空气散热设计18常见散热片平板式 燕翅式注意放置方式散热设计19散热器的散热类型1.自冷式散热器2.风冷式散热器3.水冷式散热器4.沸腾式散热器5.热管散热器对流换热系数为(6-13)X 4.18 X 103 J/h.m2.K 常用于额定电流小于20A的器件或简单装置中的大电流器件.对流换热系数为(35-62)X 4.18 X 103 J/h.m2.K 是自冷式散热器效率的2-4倍.常用于额定电流在50A-500A的器件中.对流换热系数为(2000)X 4.18 X 103 J/h.m2.K 是自冷式散热器效率的150-300倍.常用于额定电流在500A以上的器件中.需解决好水质和凝露问题.对流换热系数为(3000-7000)X 4.18 X 103 J/h.m2.K 其等效导热率相当于同几何尺寸实心铜导热率的380倍.热管是一种新型高效的传热元件,因它利用了沸腾吸热和凝结放热两种最强烈的传热机理,因而表现出优异的传热特性.即传热效率高和沿轴向的等温性好.其散热效率是比同质量的铜散热器大2-3个数量级.散热设计20热管的原理热管的原理热管(英文名：Heat Pipe 1963年美国LOS ALAMOS国家实验室G.M.GROVER在应用物理杂志命名),是一种导热性能力特别强的导热管元件，传热效率比同样材质的纯铜高出数千倍。热管工作原理说明：热管管内的液体受热汽化；汽化了的饱和蒸汽向冷端流动；饱和蒸汽在冷端冷凝放出热量；冷凝液体回到热端继续吸热汽化。散热设计21HEAT SINK VOLUME(in3)热阻R(S-a)(oC/W)热阻与散热器容积的关系热阻与散热器容积的关系,自然对流和强迫风冷自然对流和强迫风冷发热量增大到两倍，散热器体积要增大到四倍散热设计22散热器(Heat Sink)热阻()估算公式R(S-a)式中,K为散热器热导率,d 和A 分别是HEAT SINK 的厚度和面积,分别以cm 和cm2表示.C是修正因子.此式在空气温度不超过45oC时成立.散热器的修正因子取值散热器的修正因子取值安装角度 表面光洁 表面黑化 垂 直 0.85 0.43 水 平 1.0 0.5散热设计23散热器的选择方法2.最大外壳温度3.散热器热阻计算(R(C-S)+R(S-a)=R(C-a)1.器件的损耗功率(Pd)开关损耗 PS通态损耗 PON断态损耗 POFF驱动损耗 PGATE散热设计24器件损耗功率(Pd)的一般计算通态功耗 PON对感性负载对阻性负载开关功耗 PS断态损耗 POFF 一般忽略驱动损耗 PGATE 根据不同器件确定吸收回路的损耗 根据具体的吸收回路及其参数而定MOSFET、IGBT等压控器件的驱动损耗要小于电流型驱动器件 散热设计25Vgs开通损耗散热设计26关断损耗散热设计27散热器的选择实例一DC/DC电源的功率晶体管,其工作电流20A,电压100V,开关频率fS为10kHz,占空比Dy为0.5,R(j-c)为0.5oC/W,通态管压降为1V,开和关的时间为1s和2 s,环境温度25oC时,管的结温不超过155oC,直接安装在无硅油的散热器上,要求选配合适的散热器.(2)通态损耗 PON=10 W(3)断态损耗 POFF 忽略(4)驱动损耗 PGATE 忽略TOTAL Pd=PS+PON=40 W(5)总损耗 Pd(1)开关损耗 PS=30 W1.器件功耗散热设计28散热器的选择实例(续)2.最大外壳温度=155-40 X 0.5=135 oC3.散热器热阻计算(R(C-S)+R(S-a)=R(C-a)=(oC/W)查表得R(C-S)为0.33oC/W,故R(S-a)=2.42oC/W 散热设计29散热器的选择的注意点1.在保证散热要求的前提下,尽量选用体积小、重量轻的散热器。2.安装时,尽量增大器件和散热器的接触面积和压力，用硅脂涂在接触面上。注意安装的方式和方向。3.散热器表面应粗糙，但与器件接触面要有好的光洁度，涂黑。4.管子与机壳绝缘时，应使散热器与机壳绝缘，不仅采用电绝缘片。5.密封情况下，要注意没有对流。6.风冷时的风道设计。散热设计30辐射散热T1-高温物体温度T2-低温物体温度e-辐射率（无量纲）f-视野系数（无量纲）A-高温物体表面积-斯特凡一玻尔兹曼常数散热设计31几种材料的辐射率（100C）n铝（工业薄板）：铝（工业薄板）：0.09n铝（氧化）：铝（氧化）：0.33n铝（喷白漆）：铝（喷白漆）：0.94n铝（喷黑漆）：铝（喷黑漆）：0.94n铁（磨光）：铁（磨光）：0.140.38n铁（喷黑漆）：铁（喷黑漆）：0.8散热设计32对流散热n1、自然对流hc-对流散热系数1、垂直平板；2、水平平板；3、小间隙；4、涡流。散热设计33对流散热n2、强制风冷F-空气流量（cm3/s）；与风速有关-空气密度（g/cm3）；CP-空气比热。散热设计34对流散热n3、强制水冷F-水流量（cm3/s）；与水速有关-水密度（g/cm3）；CP-水比热。相同体相同体积积下下,水水带带走的走的热热量是量是风风的的28倍倍散热设计35安装方式n回路布局n功率电阻n电解电容n变压器和线圈n功率半导体（安装力矩）n大电流导线散热设计36电子元器件的降额处理n电子元器件失效取决于电应力和温度！n电阻：降功率；n电容：降电压；n半导体：降功耗。散热设计37电阻：n30秒平均功率不超过额定的50%；n电压不超过额定的80%；n对线绕电阻：30秒平均功率不超过额定的30%；n不低于额定的10%；散热设计38电容：n纸、薄膜、云母：60%；n玻璃釉、瓷介：50%；n固体钽电容：45%；n液体钽电容：70%.；n铝电解：60%70%散热设计39IRFP450的降额曲线散热设计40瞬态热阻抗r(tp)tp(s)Where Z为瞬态热阻,R为稳态热阻散热设计41Waveform of JunctionTemperature Rise(T A=Reference Temp.)Load ConditionWaveform of Power Loss at JunctionContinuos LoadSingle Load PulseShort train of Load pulse(Equal amplitude)负载电流形式与结温关系散热设计42Waveform of JunctionTemperature Rise(T A=Reference Temp.)Long train of equal amplitude load pulses(approx.solution)Overload following continuous load duty(non-pulsed)Overload following continuous load duty(pulsed)(approx.solution)Load ConditionWaveform of Power Loss at Junction负载电流形式与结温关系(续)散热设计43
