開關(guān)電源的可靠性熱設(shè)計(jì)

目錄
1.引言
2.開關(guān)電源的散熱分析軟件
3.散熱設(shè)計(jì)的一些基本原則
4.印制電路板版的熱設(shè)計(jì)
5.電子芯片的熱設(shè)計(jì)
6.PCB表面貼裝電源器件的散熱設(shè)計(jì)
7.強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式的分析
8.風(fēng)扇的選擇
9.鋁合金型材電子散熱器的應(yīng)用
10.高頻變壓器和電抗器的熱設(shè)計(jì)
11.高頻功率開關(guān)器件和二極管的熱設(shè)計(jì)
12.模塊電源的熱設(shè)計(jì)
13.柔性導(dǎo)熱墊在電力電子上應(yīng)用
14.自立式功率封裝的熱設(shè)計(jì)
15.徑向引線的二極管的熱設(shè)計(jì)
16.鋁電解電容的熱設(shè)計(jì)
17.整流橋在不同散熱方式下的散熱分析
18.液體(水)冷散熱方式的分析
19.熱管技術(shù)
20.蒸發(fā)冷卻
21.電子設(shè)備熱控制理論基礎(chǔ)
22.電子設(shè)備的自然冷卻
23.電子設(shè)備的強(qiáng)迫空氣冷卻
24.電子設(shè)備的液體冷卻
25.冷板設(shè)計(jì)
26.電子設(shè)備的蒸發(fā)冷卻
27.熱電致冷器
28.熱管
29.電子設(shè)備熱測試技術(shù)
30.熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)理論及界面材料測試方法
31.關(guān)于電源模塊散熱設(shè)計(jì)
32.材料導(dǎo)熱系數(shù)列表
33.電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方法(一)
34.電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方法(二)
35.電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方法(三)
36.軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊的應(yīng)用
37.德國產(chǎn)PAPST直流風(fēng)扇

開關(guān)電源的可靠性熱設(shè)計(jì)

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 石家莊 050051)
(上海某大學(xué) 上海 000000)
摘??要:介紹了開關(guān)電源的可靠性熱設(shè)計(jì).
關(guān)鍵詞:可靠性熱設(shè)計(jì)
(China Electronics Techonlogy Group Company(CETC)
the Thirteenth Graduate School 13 Shijiazhaung 050000)
(Shanghai University of mou Shanghai 000000)
Abstract:
Keywords:
1引言
高功率密度是開關(guān)電源發(fā)展的方向之一,通過熱設(shè)計(jì)盡可能減少電源內(nèi)部產(chǎn)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(guān)電源熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù).開關(guān)電源除了電應(yīng)力之外,溫度是影響開關(guān)電源可靠性最重要的因素.開關(guān)電源內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件的失效,當(dāng)溫度超過一定值時(shí),失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加,溫度超過極限值時(shí)將導(dǎo)致元器件失效.溫度和故障率的關(guān)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(shù),E=功率,K=玻爾茲曼常量(8.63e-5eV/K),T=結(jié)點(diǎn)溫度.
為解決此問題可從兩方面入手:(1)從電路結(jié)構(gòu)上減少損耗,如采用更優(yōu)的控制方式和技術(shù),如高頻軟開關(guān)技術(shù)、移相控制技術(shù)、同步整流技術(shù)等,另外就是選用低功耗的器件,減少發(fā)熱器件的數(shù)目,加大加粗印制線的寬度,提高電源的效率;(2)運(yùn)用更有效的散熱技術(shù),利用傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流技術(shù)將熱量轉(zhuǎn)移,這包括采用散熱器、風(fēng)冷(自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷)、液冷(水、油)、熱電致冷、熱管等方法.在較大功率開關(guān)電源中的主要散熱方式是強(qiáng)制風(fēng)冷,因此提高強(qiáng)制風(fēng)冷效果的技術(shù)就成了研究的重點(diǎn).合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)和在散熱器前端加入擾流片引入紊流可顯著的提高散熱效果.
在盡量通過優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式而減少功率開關(guān)發(fā)熱量的同時(shí),一般還需要通過散熱器利用傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的傳熱原理,將器件產(chǎn)生的熱量快速釋放到周圍環(huán)境中去,以減少內(nèi)部熱累積,使元件工作溫度降低.
2 開關(guān)電源的散熱分析軟件
目前開關(guān)電源研究者用flotherm或icepak電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件進(jìn)行建模分析,但整個(gè)業(yè)界都還停留在傳統(tǒng)人力分析熱的階段.用軟件做熱設(shè)計(jì)是最近才在中國業(yè)界流行起來的,熱仿真不是無的放失,只有數(shù)據(jù)和模型提供的越準(zhǔn)確,結(jié)果才越能反應(yīng)真實(shí)情況,它主要是起一個(gè)指導(dǎo)作用.現(xiàn)在的電源行業(yè)要求體積小型化,原來的憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)散熱器遠(yuǎn)不能滿足發(fā)展的需要.
FLOTHERM是一套由電子系統(tǒng)散熱仿真軟件先驅(qū)----英國FLOMERICS軟件公司開發(fā)并廣為全球各地電子電路設(shè)計(jì)工程師和電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師使用的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件,全球排名第一且市場占有率高達(dá)80%以上.其最顯著的特點(diǎn)是針對(duì)電子設(shè)備的組成結(jié)構(gòu),提供熱設(shè)計(jì)組件模型,根據(jù)這些組件模型可以快速建立機(jī)箱,插框,單板,芯片風(fēng)扇,散熱器等電子設(shè)備的各組成部分.
FLOTHERM采用了成熟的CFD(Computational Fluid Dynamic計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))和數(shù)值傳熱學(xué)仿真技術(shù)開發(fā)而成,同時(shí)它還結(jié)合了FLOMERICS公司在電子設(shè)備傳熱方面的大量獨(dú)特經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫,并擁有大量專門針對(duì)電子工業(yè)而開發(fā)的模型庫.應(yīng)用FLOTHERM可以從電子系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境層、電子系統(tǒng)層、各電路板及部件層直至芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)層等各種不同層次對(duì)系統(tǒng)散熱、溫度場及內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確、簡便的定量分析.它采用先進(jìn)的有限體積法處理結(jié)構(gòu),可以同時(shí)在三維結(jié)構(gòu)模型中模擬電子系統(tǒng)的熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運(yùn)動(dòng)矢量,其中對(duì)散熱的三種狀態(tài)可以完全獨(dú)立分析.對(duì)于國防領(lǐng)域經(jīng)常碰到的多種冷卻介質(zhì)(如局部液冷)、有太陽輻射的戶外設(shè)備和必須要考慮器件之間局部遮擋的高精度輻射散熱計(jì)算等情況,FLOTHERM軟件的求解器更有完善的處理能力.FLOTHERM強(qiáng)大的前后處理模塊不但可以直接轉(zhuǎn)換各類主流MCAD和EDA軟件設(shè)計(jì)好的幾何模型以減少建立模型的時(shí)間,還可以將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)以溫度場平面等勢圖和流體運(yùn)動(dòng)三維動(dòng)畫或報(bào)告等形式直觀方便地顯示出來.
flotherm 軟件基本可以分為前處理,求解,后處理三個(gè)部分.前處理包括project manager,drawing board和flogate.project manager 用于項(xiàng)目管理,物性參數(shù),網(wǎng)格參數(shù),計(jì)算參數(shù)的設(shè)定等.drawing board提供一個(gè)可視化的建立機(jī)柜,插框,單板,芯片幾何模型的界面和計(jì)算網(wǎng)格劃分的工具.通過在project manager和drawing board中的互動(dòng)操作就可以完成具體的建摸操作.flogate是一個(gè)數(shù)據(jù)接口模塊,它可以把單板的裝配圖文件(IDF格式)導(dǎo)入flotherm,直接完成單板的建摸設(shè)計(jì).求解器是flosolve模塊,它可以完成模型瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)的溫度場和流場計(jì)算.后處理部分包括Visulation,flomotion和table.Visulation完成仿真計(jì)算結(jié)果的可視化顯示flomotion除了也可以用于可視化顯示外,還可以制作流場的動(dòng)化顯示,熱分析模型的大量計(jì)算數(shù)據(jù)如某區(qū)域的平均溫度,空氣流量等都可以通過table模塊查詢.
icepak是美國fluent公司通過集成ICEM??CFD公司的網(wǎng)格劃分及后處理技術(shù)而開發(fā)成功的針對(duì)電子設(shè)備冷卻分析的專用熱設(shè)計(jì)軟件,具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)建模能力:除了有矩形,圓形建摸外,還有多種復(fù)雜形狀模型,如橢球體,多面體,管道及斜坡等模型有thin-conduction模型 ;
2)網(wǎng)格技術(shù):有結(jié)構(gòu)化,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;有四面體,有四面體六面體混合網(wǎng)格;能夠?qū)?fù)雜模型快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格;支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的non-conformal網(wǎng)格;
3)求解器;FLUENT求解器能夠求解多種流體介質(zhì)問題;能夠求解結(jié)構(gòu)化,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格問題,支持網(wǎng)格并行.
3散熱設(shè)計(jì)的一些基本原則
開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的基本程序是:
????1)首先明確設(shè)計(jì)條件,如電源的功耗、發(fā)熱量、容許溫升、設(shè)備外形尺寸、設(shè)備放置的環(huán)境條件等;
????2)決定電源的冷卻方式,并檢查是否滿足溫度條件;
????3)分別對(duì)元件、線路、印制電路板和機(jī)箱進(jìn)行熱設(shè)計(jì);
4)按熱設(shè)計(jì)檢查表進(jìn)行檢查,確定是否滿足設(shè)計(jì)要求.
4 印制電路板版的熱設(shè)計(jì)
從有利于散熱的角度出發(fā),印制板最好是直立安裝,板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式應(yīng)遵循一定的規(guī)則:
1)對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備,最好是將集成電路(或其它器件)按縱長方式排列;對(duì)于采用強(qiáng)制空氣冷卻的設(shè)備,最好是將集成電路(或其它器件)按橫長方式排列.
2)同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的最上流(入口處),發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等)放在冷卻氣流最下游.
3)在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時(shí)對(duì)其它器件溫度的影響.
4)對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域(如設(shè)備的底部),千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方,多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局.
5)電源內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑,合理配置器件或印制電路板.空氣流動(dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng),所以在印制電路板上配置器件時(shí),要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域.整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題.
5 電子芯片的熱設(shè)計(jì)
如何對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì),首先我們可以從芯片廠家提供的芯片Datasheet為判斷的基礎(chǔ).下面將對(duì)Datasheet中和散熱有關(guān)的幾個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行說明.
P—芯片功耗,單位W(瓦).功耗是熱量產(chǎn)生的直接原因.功耗大的芯片,發(fā)熱量也一定大.
Tc—芯片殼體溫度,單位℃.
Tj—結(jié)點(diǎn)溫度,單位℃.隨著結(jié)點(diǎn)溫度的提高,半導(dǎo)體器件性能將會(huì)下降.結(jié)點(diǎn)溫度過高將導(dǎo)致芯片工作不穩(wěn)定,系統(tǒng)死機(jī),最終芯片燒毀.
Ta—環(huán)境溫度,單位℃.
Tstg—存儲(chǔ)溫度,單位℃.芯片的儲(chǔ)存溫度.
Rja—結(jié)點(diǎn)到環(huán)境的熱阻,單位℃/W.
Rjc—結(jié)點(diǎn)到芯片殼的熱阻,單位℃/W
Ψjt--可以理解為結(jié)點(diǎn)到芯片上表面的熱阻.當(dāng)芯片熱量只有部分通過上殼散出的時(shí)候的熱阻參數(shù).
LFM--風(fēng)速單位,英尺/分鐘.
由于IC封裝使測量無法接觸到結(jié)點(diǎn),因此直接測量IC結(jié)溫比較困難.作為一種替代方法,可以利用結(jié)到外殼的熱阻( JC)和外殼到外部環(huán)境的熱阻( CA)計(jì)算結(jié)溫,如圖1所示.在確定IC的結(jié)溫時(shí),熱阻是最重要的參數(shù): JA =??JC +??CA.

圖1. 利用熱阻計(jì)算IC結(jié)溫的熱狀態(tài)電模型
隨著熱設(shè)計(jì)的重要性不斷提高,大部分的芯片資料都會(huì)提供提供Tj、Rjc、P等參數(shù).基本公式如下:
Tj=Tc+Rjc×P
只要保證Tj﹤Tjmax即可保證芯片正常工作.
歸根結(jié)底,我們只要能保證芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不超過芯片給定的最大值,芯片就可以正常工作.
如何判斷芯片是否需要增加散熱措施:
1)搜集芯片的散熱參數(shù).主要有:P、Rja、Rjc、Tj等
2)計(jì)算Tcmax:Tcmax=Tj-Rjc×P
3)計(jì)算要達(dá)到目標(biāo)需要的Rca:Rca＝(Tcmax-Ta)/P
4)計(jì)算芯片本身的Rca’:Rca’=Rja-Rjc
如果Rca大于 Rca’,說明不需要增加額外的散熱措施.
如果Rca小于Rca’,說明需要增加額外的散熱措施.比如增加散熱器、增加風(fēng)扇等等.
????如前所述,Rja不能用于準(zhǔn)確的計(jì)算芯片的溫度,所以這種方法只能用于簡單的判斷.而不能用于最終的依據(jù).
如UC3842A、UC3843A熱特性:

6 PCB表面貼裝電源器件的散熱設(shè)計(jì)
??以Micrel公司表貼線性穩(wěn)壓器為例,介紹如何在僅使用一個(gè)印制電路板的銅鉑作為散熱器時(shí)是否可以正常工作.
1)系統(tǒng)要求:
VOUT=5.0V;VIN(MAX)=9.0V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=700mA;運(yùn)行周期=100%;TA=50℃
根據(jù)上面的系統(tǒng)要求選擇750mA MIC2937A-5.0BU穩(wěn)壓器,其參數(shù)為:
VOUT=5V±2%(過熱時(shí)的最壞情況)
TJ MAX=125℃.采用TO-263封裝,θJC=3℃/W;
θCS≈0℃/W(直接焊接在電路板上).
2)初步計(jì)算:
VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V
PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W
溫度上升的最大值, ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃;熱阻θJA(最壞情況):ΔT/PD=75℃/3.0W=25℃/W.
散熱器的熱阻, θSA=θJA-(θJC+θCS);θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大).
3)決定散熱器物理尺寸:
采用一個(gè)方形、單面、水平具有阻焊層的銅箔散熱層與一個(gè)有黑色油性涂料覆蓋的散熱銅箔,并采用1.3米/秒的空氣散熱的方案相比較,后者的散熱效果最好.
采用實(shí)線方案,保守設(shè)計(jì)需要5,000mm2的散熱銅箔,即71mm×71mm(每邊長2.8英寸)的正方形.
4)采用SO-8和SOT-223封裝的散熱要求:
在下面的條件下計(jì)算散熱面積大小:VOUT=5.0V;VIN(MAX)=14V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=150mA;占空比=100%;TA=50℃.在允許的條件下,電路板生產(chǎn)設(shè)備更容易處理雙列式SO-8封裝的器件.采用MIC2951-03BM(SO-8封裝),可以得到以下參數(shù):
TJ MAX=125℃;θJC≈100℃/W.
5)計(jì)算采用SO-8封裝的參數(shù):
PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W;
升高的溫度=125℃-50℃=75℃;
熱阻θJA(最壞的情況):
ΔT/PD=75℃/1.46W=51.3℃/W;
θSA=51-100=-49℃/W(最大).
顯然,在沒有致冷條件下,SO-8不能滿足設(shè)計(jì)要求.考慮采用SOT-223封裝的MIC5201-5.0BS調(diào)壓器,該封裝比SO-8小,但其三個(gè)引腳具有很好的散熱效果.選用MIC5201-3.3BS,其相關(guān)參數(shù)如下:
TJ MAX=125℃
SOT-223的熱阻θJC=15℃/W
θCS=0 ℃/W(直接焊在線路板上的).
6)計(jì)算采用SOT-223封裝的結(jié)果:
PD=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W
上升溫度=125℃-50℃=75℃;
熱阻θJA(最壞的情況):
ΔT/PD=75℃/1.4W=54℃/W;
θSA=54-15=39℃/W(最大).根據(jù)以上的數(shù)據(jù),采用1,400 mm2的散熱銅箔(邊長1.5英寸的正方形)可以滿足設(shè)計(jì)要求.
以上的設(shè)計(jì)結(jié)果可以作為粗略的參考,實(shí)際設(shè)計(jì)中需要了解電路板的熱特性,得出更準(zhǔn)確、滿足實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)果.
下表列出了普通表面安裝的熱阻額定值,詳見數(shù)據(jù)手冊(cè).
表8典型的表面安裝的熱阻(單位:℃/W)
封裝RjaRjc
SOD123340150
SOT2355675
SOT2231597.5
SO-86321
SMB13
SMC11
DPAK806
D2PAK502
7 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式的分析
通常條件下,熱量的傳遞包括三種方式:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射.傳導(dǎo)是指直接接觸的物體之間熱量由溫度高的一方向溫度較低的一方的傳遞,對(duì)流是借助流體的流動(dòng)傳遞熱量,而輻射無需借助任何媒介,是發(fā)熱體直接向周圍空間釋放熱量.
強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱量比自然冷卻大十倍以上,但是要增加風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電源、聯(lián)鎖裝置等,這不僅使設(shè)備的成本和復(fù)雜性增加,而且使系統(tǒng)的可靠性下降,另外還增加了噪聲和振動(dòng),因而在一般情況下應(yīng)盡量采用自然冷卻,而不采用風(fēng)冷、液冷之類的冷卻方式.高頻變壓器和電感線圈應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線來抑制溫升.從經(jīng)驗(yàn)來看,盡量保證磁體損耗和線圈銅損的相同,可使高頻變壓器的整體功耗最小,減小發(fā)熱量.
在實(shí)際應(yīng)用中,散熱的措施有散熱器和風(fēng)扇兩種方式或者二者的同時(shí)使用.散熱器通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器,散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體,它的充分?jǐn)U展的表面使熱的輻射大大增加,同時(shí)流通的空氣也能帶走更大的熱能.風(fēng)扇的使用也分為兩種形式,一種是直接安裝在散熱器表面,另一種是安裝在機(jī)箱和機(jī)架上,提高整個(gè)空間的空氣流速.如果將溫度等效為電壓,將功率等效為電流,則圖1所示的熱模型類似于歐姆定律,V=I*R (歐姆定律) 散熱的計(jì)算有一個(gè)最基本的公式:
????溫差 =功耗×熱阻
T = P*??(熱模型)
TJ = PD * ( JC +??CA) + TA
在使用散熱器的情況下,散熱器與周圍空氣之間的熱釋放的"阻力"稱為熱阻,散熱器與空氣之間"熱流"的大小用芯片的功耗來代表,這樣熱流由散熱器流向空氣時(shí)由于熱阻的存在,在散熱器和空氣之間就產(chǎn)生了一定的溫差,就像電流流過電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降一樣.同樣,散熱器與芯片表面之間也會(huì)存在一定的熱阻.熱阻的單位為℃/W.選擇散熱器時(shí),除了機(jī)械尺寸的考慮之外,最重要的參數(shù)就是散熱器的熱阻.熱阻越小,散熱器的散熱能力越強(qiáng).
從熱力學(xué)的角度來看,物體的吸熱、放熱是相對(duì)的,凡是有溫度差存在時(shí),就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處,這是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種現(xiàn)象.而熱傳遞的方式有三種:輻射、對(duì)流、傳導(dǎo),其中以熱傳導(dǎo)為最快.我們要討論的風(fēng)冷散熱,實(shí)際上就是強(qiáng)制對(duì)流散熱.
對(duì)流換熱是指流體與其相接觸的固體表面或流體,而這具有不同溫度時(shí)所發(fā)生的熱量轉(zhuǎn)移過程.熱源將熱量以熱傳導(dǎo)方式傳至導(dǎo)熱導(dǎo)熱介質(zhì),再由介質(zhì)傳至散熱片基部,由基部將熱量傳至散熱片肋片并通過風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對(duì)流,將熱量散發(fā)到空氣中.風(fēng)扇不斷向散熱片吹入冷空氣,流出熱空氣,完成熱的散熱過程.
對(duì)流換熱即受導(dǎo)熱規(guī)律的支配,又受流體流動(dòng)規(guī)律的支配,屬于一種復(fù)雜的傳熱過程,表現(xiàn)在對(duì)流換熱的影響因素比較多.
1)按流體產(chǎn)生流動(dòng)的原因不同,可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流.
2)按流動(dòng)性質(zhì)來區(qū)分,有層流和紊流之別.流體從層流過渡到紊流是由于流動(dòng)失去穩(wěn)定性的結(jié)果.一般以雷諾數(shù)(Re)的大小,作為層流或紊流的判斷依據(jù).
3)流體的物性對(duì)對(duì)流換熱的影響.例如,粘度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、導(dǎo)溫系數(shù)等等,它們隨流體不同而不同,隨溫度變化而變化,從而改變對(duì)流換熱的效果.
4)換熱表面的幾何條件對(duì)對(duì)流換熱的影響.其中包括:
a管道中的進(jìn)口、出口段的長度,形狀以及流道本身的長度等;
b物體表面的幾何形狀,尺寸大小等;
c物體表面,如管道壁面、平板表面等的粗糙程度;
d物體表面的位置(平放、側(cè)放、垂直放置等)以及流動(dòng)空間的大小.
5)流體物態(tài)改變的影響.
6)換熱面的邊界條件,如恒熱流、恒壁溫等,也會(huì)影響對(duì)流換熱.
7)風(fēng)量和溫度的關(guān)系
T＝Ta+1.76P/Q
式中
Ta-環(huán)境溫度,℃
P-整機(jī)功率,W
Q-風(fēng)扇的風(fēng)量,CFM
T-機(jī)箱內(nèi)的溫度,℃
舉一個(gè)電路設(shè)計(jì)中熱阻的計(jì)算的例子:
設(shè)計(jì)要求:芯片功耗:20瓦,芯片表面不能超過的最高溫度:85℃,環(huán)境溫度(最高):55℃計(jì)算所需散熱器的熱阻.
實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻很小,取0.1℃/W作為近似.
則 (R+0.1)×20W=85℃-55℃
得到 R=1.4℃/W
只有當(dāng)選擇的散熱器的熱阻小于1.4℃/W時(shí)才能保證芯片表面溫度不會(huì)超過85℃.
使用風(fēng)扇能帶走散熱器表面大量的熱量,降低散熱器與空氣的溫差,使散熱器與空氣之間的熱阻減小.因此散熱器的熱阻參數(shù)通常用一張表來表示.如下例:
風(fēng)速(英尺/秒)熱阻(℃/W)
03.5
1002.8
2002.3
3002.0
4001.8
功率元件的散熱方式是關(guān)鍵.開關(guān)電源一般采用空氣冷卻或者水冷.在功率較小時(shí),采用空氣冷卻就能夠滿足要求.在功率較大時(shí),則需要在散熱器中通水,利用水流帶走熱量,因?yàn)樯崞饕话愣加胁煌碾娢?所以必須采用絕緣強(qiáng)度較好的水,一般采用純凈水,它比普通蒸餾水的離子含量還要低.在水路的循環(huán)系統(tǒng)中,一般還要加離子樹脂交換器,因?yàn)樯崞魃系慕饘匐x子會(huì)不斷的溶解到水中,這些離子需要被吸附清除.
應(yīng)該說,從散熱的角度來說,水冷是非常理想的.但是,水循環(huán)系統(tǒng)工藝要求高,安裝復(fù)雜,維護(hù)工作量大,而且一旦漏水,會(huì)帶來安全隱患.所以,能夠用空氣冷卻解決問題的場合,就不要采用水冷.
空氣冷卻能夠從設(shè)備中帶出來的熱量,與有效散熱面積的大小有關(guān)系,散熱面積越大,能夠帶走的熱量就越多.元器件的數(shù)目越多,散熱的面積就越大,空氣冷卻的效果就越好.
電力電子元件的熱量按照如下方式傳導(dǎo):沿散熱器表面散開,再沿表面?zhèn)鬟f到散熱片上,被空氣帶走.沿散熱器表面散開的面積是非常有限的,離開元件較遠(yuǎn)處,已經(jīng)基本感受不到熱量,所以把散熱器表面做大到一定程度,對(duì)散熱效果的增加已經(jīng)沒有意義.對(duì)于散熱器的齒片也是一樣,齒根處溫度較高,齒尖處只有很少的熱量到達(dá),所以增高齒片到一定程度,對(duì)散熱也毫無用處.
所以,要解決大功率產(chǎn)品的空氣冷卻問題,唯一有效的辦法是,利用很多的元器件,均攤熱量,增大有效的散熱面積.
當(dāng)然,采用功耗較小的新一代元器件,或者采用熱阻較小的新式散熱器,也可以使空氣冷卻的電源功率更大.
關(guān)于電源散熱的另外一個(gè)問題是,把熱量從電源內(nèi)部帶出來以后,如何耗散在大氣中.對(duì)于水冷裝置,需要在室外安裝一個(gè)水-空冷裝置,把熱水變成涼水.對(duì)于空氣冷卻的裝置,如果散熱量較大,需要安裝風(fēng)道,把熱空氣直接排出室外,否則,熱空氣會(huì)在室內(nèi)聚集,造成室溫升高.以前有的用戶考慮用室內(nèi)空調(diào)機(jī)降溫,事實(shí)證明在大功率電源應(yīng)用中,需要較大的空調(diào)配置,是不經(jīng)濟(jì)的.
降低熱阻,提高對(duì)流換熱的途徑主要有:加大散熱器尺寸或者增加散熱片數(shù)量以加大散熱面積 ;采用更大尺寸或擁有更強(qiáng)風(fēng)力的風(fēng)機(jī)增大空氣流速以增大 ;引入紊流以增強(qiáng)局部對(duì)流來增大 等.通常情況下,選用散熱面積較大的型材散熱器和風(fēng)量較大的風(fēng)機(jī)可以降低散熱器到環(huán)境介質(zhì)的熱阻,但散熱面積的增加和風(fēng)機(jī)風(fēng)量的提高均受裝置體積、重量以及噪音指標(biāo)等限制.由于電力電子器件的小型化和輕量化的發(fā)展趨勢,在散熱器和風(fēng)機(jī)參數(shù)一定的條件下,通過合理的風(fēng)道設(shè)計(jì),在散熱器表面流場引入紊流是改善散熱的又一有效途徑.
合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)一般要求引導(dǎo)風(fēng)扇氣流沖擊散熱器表面,適當(dāng)?shù)母淖儦饬髟谏崞鞅砻娴牧鲃?dòng)方向以在散熱器附近流場中形成大的擾動(dòng),從而形成廣泛的紊流區(qū),加強(qiáng)散熱效果,如在散熱器前端加入擾流片等辦法;同時(shí)不應(yīng)使氣流壓頭損失過大,流速下降過多,以免降低散熱效果.事實(shí)上這兩方面往往存在矛盾,所以應(yīng)綜合權(quán)衡,盡量最優(yōu).
風(fēng)扇出風(fēng)口與散熱器間的距離對(duì)模塊散熱的影響研究
在強(qiáng)迫吹風(fēng)冷卻情形下,由于風(fēng)扇旋渦swirl存在,散熱器與風(fēng)扇間的距離對(duì)其流場均勻度影響較大,理論上,當(dāng)散熱器與風(fēng)扇間的距離足夠大時(shí),風(fēng)扇旋渦swirl對(duì)流場的影響較小,然而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,由于體積的限制,不可能允許散熱器與風(fēng)扇間的距離太大,換句話說,風(fēng)扇旋渦swirl對(duì)散熱的影響是一定存在的,利用FLOTHERM熱仿真分析軟件,通過合理控制熱設(shè)計(jì)冗余,力求得出一個(gè)較合理的風(fēng)扇與散熱器的距離.
在實(shí)際應(yīng)用中,受到產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)布置、外形尺寸等相關(guān)因素的限制,冷卻風(fēng)扇與散熱器間的距離不可能得到任意滿足.那么,如何合理、經(jīng)濟(jì)地確定風(fēng)扇與散熱器間距離的大小,如何平衡諸多因素間的矛盾呢?我們必須從引起該結(jié)果差異的原因中進(jìn)行分析,找出一個(gè)折衷的方法來較為合理、經(jīng)濟(jì)地確定該距離的大小.
仔細(xì)分析造成流場不均勻的原因,其關(guān)鍵的因素就是:一方面,由于實(shí)際風(fēng)扇中HUB的存在,使冷卻風(fēng)從風(fēng)扇環(huán)形的截面吹出,從而在風(fēng)扇HUB的下游區(qū)域形成不均勻地流場分布;另一方面,軸流風(fēng)扇的工作原理迫使流經(jīng)該風(fēng)扇出口截面的流體,呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)流向下游.實(shí)際上,在保證流體流出風(fēng)扇后一定距離的情況下,這種旋轉(zhuǎn)效果是能夠促進(jìn)流體間的混合,從而形成一個(gè)比較均勻的流場分布,當(dāng)風(fēng)扇距散熱器為一個(gè)風(fēng)扇的HUB直徑時(shí),由于HUB存在而導(dǎo)致的不均勻流場可以得到較大程度上的改善,雖然流場分布還是存在一定程度上的不均勻,但是表現(xiàn)在散熱器上功率元器件的殼溫,卻沒有顯著的變化,從而形成這一漸近的變化趨勢曲線.由此我們可以得出以下結(jié)論:
a 風(fēng)扇強(qiáng)迫吹風(fēng)冷卻時(shí),在冷卻風(fēng)扇出口下游處,造成流場不均勻的主要因素主要是風(fēng)扇HUB的存在,其次才是流體流經(jīng)軸流風(fēng)扇后的旋轉(zhuǎn)效應(yīng).
b 該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,為了能夠獲得散熱器的最大散熱能力,我們必須要保證冷卻風(fēng)扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個(gè)風(fēng)扇HUB的直徑.但是,一旦該距離超過一個(gè)風(fēng)扇的外形直徑后,對(duì)下游流場均勻程度的貢獻(xiàn)已經(jīng)微乎其為,可以不用考慮該因素造成影響散熱器散熱能力這一因素.
c 如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,無法保證冷卻風(fēng)扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個(gè)風(fēng)扇HUB的直徑,則必須要求在風(fēng)扇與散熱器間安裝整流柵.
在電力電子行業(yè)中,由于存在著大量的功率元器件,因此強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻在該行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用.由于該行業(yè)產(chǎn)品自身的特點(diǎn)及其主要的應(yīng)用環(huán)境,電源模塊或系統(tǒng)在選用強(qiáng)迫冷卻這種散熱方式時(shí),軸流風(fēng)扇得到廣泛的應(yīng)用.由于軸流風(fēng)扇的工作原理是通過電機(jī)工作,帶動(dòng)與其相連的葉片使葉片以電機(jī)給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn),從而在葉片的前后產(chǎn)生一定的壓差,驅(qū)動(dòng)葉片周圍的空氣沿電機(jī)軸這一固定的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng).因此,軸流風(fēng)扇具有壓頭底、流量大等特點(diǎn).通常人們?cè)谶x用軸流風(fēng)扇時(shí),也僅僅考慮了上述的幾個(gè)特點(diǎn),忽約了軸流風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)而給被迫產(chǎn)生流動(dòng)的空氣造成的一系列影響.實(shí)際上,通過軸流風(fēng)扇的流體并不完全是沿電機(jī)軸這一單方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的,在與電機(jī)軸垂直的風(fēng)扇葉片截面上也有一速度運(yùn)動(dòng)分量.因此,通過軸流風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的流體實(shí)際上是以電機(jī)軸為軸線,向前旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)著的流動(dòng)流體.在軸流風(fēng)扇出口處,流體的實(shí)際流動(dòng)方向如下圖所示:

圖1、風(fēng)扇出口處流體的實(shí)際流動(dòng)方向
如前所述,通過軸流風(fēng)扇出口處的流體實(shí)際上是沿軸心旋轉(zhuǎn)向前流動(dòng)的流體,那么風(fēng)扇的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向?qū)ζ浜蟮牧鲌?電源內(nèi)部的被冷卻區(qū)域)有什么影響呢?
總結(jié)風(fēng)扇供應(yīng)商所提供的相關(guān)數(shù)據(jù),我們可以得到如下簡單的確定風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向?qū)α鲌鲇绊懙姆椒?按照左手旋轉(zhuǎn)原則,大拇指的方向?yàn)榱黧w的宏觀流向,其余四指的彎曲方向?yàn)轱L(fēng)扇出口處流場的旋轉(zhuǎn)方向.在功率元器件的布局時(shí),按照左手螺旋原則,只要我們把關(guān)鍵元器件布置在四彎曲拇指的方向,就能完全避免因風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向而造成元器件散熱的不利影響.
當(dāng)然了,以上的分析只適用于采用軸流風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫吹風(fēng)冷卻的場合.對(duì)于抽風(fēng)冷卻情形,由于風(fēng)扇出風(fēng)口流場的變化對(duì)其進(jìn)風(fēng)口沒有什么影響,因此風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向?qū)δK內(nèi)部的散熱是沒有影響的.
舉例:單相輸入有功率因數(shù)校正3000W開關(guān)電源的散熱設(shè)計(jì)
良好的散熱方式可有效的減小整機(jī)體積,達(dá)到合理的功率密度,根據(jù)本項(xiàng)目要求散熱主要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式.在強(qiáng)迫風(fēng)冷的條件下,電源裝置的溫升與單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)電源裝置的風(fēng)量關(guān)系重大,因些應(yīng)該使電源結(jié)構(gòu)有通暢的風(fēng)道,減小靜壓損失,其次,應(yīng)該盡可能使發(fā)熱量高的部件靠近風(fēng)流最快的區(qū)域,增強(qiáng)熱交換率,例如熱沉、變壓器、開關(guān)管等應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮,最后,還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇的影響,進(jìn)氣口應(yīng)盡可能寬暢,出氣口也應(yīng)減少障礙物,否則可能會(huì)改變正常的風(fēng)扇風(fēng)流方向及大小,影響風(fēng)道的作用.
經(jīng)過詳細(xì)認(rèn)真的分析研究,本電源采用下面的整體布局,主板、升壓電感、主變壓器、輸出濾波電感均固定在一整體散熱器上,升壓電感、主變壓器、輸出濾波電感成一排固定在散熱器上半部,主板固定在散熱器下半部:主板上的功率器件如功率開關(guān)管、輸出整流管通過鋼板壓條固定在散熱器上,主板上半部放置低元器件、下半部放置高元器件,風(fēng)扇放置在散熱器前中上位置并固定在前面板上,采用前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)方式.通過以上設(shè)計(jì)使電源有一良好風(fēng)道并使主要發(fā)熱元件均在高風(fēng)速范圍內(nèi),達(dá)到了很好的散熱效果,明顯提高了電源可靠性.
8 風(fēng)扇的選擇
??風(fēng)扇是風(fēng)冷散熱器中必不可少的組成部分,對(duì)散熱效果起著至關(guān)重要的作用,是散熱器中唯一的主動(dòng)部件;同時(shí),更對(duì)散熱器的工作噪音有著決定性的影響.風(fēng)扇在散熱中的職責(zé)為:憑借自身的導(dǎo)流作用,令空氣以一定的速度、一定的方式通過散熱片,利用空氣與散熱片之間的熱交換帶走其上堆積的熱量,從而實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)制對(duì)流”的散熱方式.
散熱片即使結(jié)構(gòu)再復(fù)雜,也只是一個(gè)被動(dòng)的熱交換體;因此,一款風(fēng)冷散熱器能否正常“工作”,幾乎完全取決于風(fēng)扇的工作狀態(tài).在不改變散熱器結(jié)構(gòu)與其它組成部分的情況下,僅僅是更換更加合適、強(qiáng)勁的風(fēng)扇,也可以令散熱效果獲得大幅度的提升;反之,如果風(fēng)扇搭配不合適或不夠強(qiáng)勁,則會(huì)使風(fēng)冷散熱器效能大打折扣,令散熱片與整體設(shè)計(jì)上的優(yōu)點(diǎn)被埋沒于無形;更有甚者,由于風(fēng)扇是風(fēng)冷散熱器中唯一確實(shí)“工作”的部分,它本身的故障也就會(huì)導(dǎo)致散熱器整體的故障,令其喪失大部分的散熱性能,進(jìn)而引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定或當(dāng)機(jī),甚至因高溫而燒毀設(shè)備.
風(fēng)扇可分為:含油軸承、單滾珠軸承、雙滾珠軸承、液壓軸承、來福軸承、Hypro軸承、磁懸浮軸承、納米陶瓷軸承等,下面是其性能比較表由表中可以看出,軸承技術(shù)對(duì)風(fēng)扇的性能、噪音、壽命起著重要的決定性作用,實(shí)際選購風(fēng)扇時(shí)必須加以注意.通?？筛鶕?jù)性能、噪音、壽命以及價(jià)格四方面要求綜合考慮:
??1.性能不高,噪音小,價(jià)格低,含油軸承是唯一的選擇,但壽命較短,使用一段時(shí)間后噪音可能會(huì)逐漸增大,需做好維護(hù)或更換的心理準(zhǔn)備.
??2.性能強(qiáng)悍,壽命長,價(jià)格不高,滾珠軸承是不二之選,但需忍受其工作時(shí)產(chǎn)生的較大噪音.
??3.性能與噪音都沒有特殊要求,但希望壽命長,價(jià)格不高,來福、Hypro軸承等含油軸承的改進(jìn)型均是值得考慮的選擇.
??4.性能好,噪音低,壽命長,如此便不能對(duì)價(jià)格提出進(jìn)一步的要求了,只要資金充足,液壓、精密陶瓷等特色軸承技術(shù)都可列入選擇范圍之內(nèi).
??5.對(duì)靜音與壽命要求極高,磁懸浮軸承是僅有的選擇,只是性能不佳,價(jià)格過高.
目前,AC/DC系列風(fēng)扇品牌包括SUNON、ADDA、SANYO、PAPST、NMB和Nidec等.如下圖:

9 鋁合金型材電子散熱器的應(yīng)用
9．1散熱器的熱阻模型
??由于散熱器是開關(guān)電源的重要部件,它的散熱效率高與低關(guān)系到開關(guān)電源的工作性能.散熱器通常采用銅或鋁,雖然銅的熱導(dǎo)率比鋁高2倍但其價(jià)格比鋁高得多,故目前采用鋁材料的情況較為普遍.通常來講,散熱器的表面積越大散熱效果越好.散熱器的熱阻模型及等效電路如下圖所示:


??半導(dǎo)體結(jié)溫公式如下式如示:
????Pcmax(Ta)= (Tjmax-Ta)/θj-a (W) -----------------------(1)
????Pcmax(Tc)= (Tjmax-Tc)/θj-c (W) -----------------------(2)

????Pc: 功率管工作時(shí)損耗
????Pc(max): 功率管的額定最大損耗
????Tj: 功率管節(jié)溫
????Tjmax: 功率管最大容許節(jié)溫
????Ta: 環(huán)境溫度
????Tc: 預(yù)定的工作環(huán)境溫度
????θs : 絕緣墊熱阻抗
????θc : 接觸熱阻抗(半導(dǎo)體和散熱器的接觸部分)
????θf : 散熱器的熱阻抗(散熱器與空氣)
????θi : 內(nèi)部熱阻抗(PN結(jié)接合部與外殼封裝)
????θb : 外部熱阻抗(外殼封裝與空氣)
??根據(jù)圖2熱阻等效回路, 全熱阻可寫為:
????θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)
??又因?yàn)棣萣比θs +θc+θf大很多,故可近似為:
????θj-a=θi+θs +θc+θf --------------------------------------------- (4)
??①PN結(jié)與外部封裝間的熱阻抗(又叫內(nèi)部熱阻抗) θi是由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)造、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關(guān).每種半導(dǎo)體都有自身固有的熱阻抗.
??②接觸熱阻抗θc是由半導(dǎo)體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定.接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響.當(dāng)接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時(shí)就會(huì)增大接觸熱阻抗θc.在半導(dǎo)體和散熱器之間涂上硅油可以增大接觸面積,排除接觸面之間的空氣而硅油本身又有良好的導(dǎo)熱性,可以大大降低接觸熱阻抗θc.
9．2散熱器熱阻抗θf
??散熱器熱阻抗θf與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風(fēng)速、散熱器與周圍的溫度差有關(guān).因此一般都會(huì)設(shè)法增強(qiáng)散熱器的散熱效果,主要的方法有增加散熱器的表面積、設(shè)計(jì)合理的散熱風(fēng)道、增強(qiáng)散熱器表面的風(fēng)速.散熱器的散熱面積設(shè)計(jì)值如下圖所示:??????????????????????????
??但如果過于追求散熱器的表面積而使散熱器的叉指過于密集則會(huì)影響到空氣的對(duì)流,熱空氣不易于流動(dòng)也會(huì)降低散熱效果.自然風(fēng)冷時(shí)散熱器的叉指間距應(yīng)適當(dāng)增大,選擇強(qiáng)制風(fēng)冷則可適當(dāng)減小叉指間距.如下圖所示:

⑤散熱器表面積計(jì)算:
?? S=0.86W/(ΔT*α)
????ΔT: 散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度(Ta)的差(℃)
????α: 熱傳導(dǎo)系數(shù),是由空氣的物理性質(zhì)及空氣流速?zèng)Q定.α由下式?jīng)Q定.
?? α=Nu*λ/L ()
????λ:熱電導(dǎo)率(Kcal/m2h)空氣物理性質(zhì)
????L:散熱器高度(m)
????Nu:空氣流速系數(shù).由下式?jīng)Q定.
????Nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr
????V:動(dòng)粘性系數(shù)(m2/sec),空氣物理性質(zhì).
????V’:散熱器表面的空氣流速(m/sec)
????Pr: 系數(shù),見下表

9．3發(fā)熱元件的布局
??開關(guān)電源中主要發(fā)熱元件有大功率半導(dǎo)體及其散熱器,功率變換變壓器,大功率電阻.發(fā)熱元件的布局的基本要求是按發(fā)熱程度的大小,由小到大排列,發(fā)熱量越小的器件越要排在開關(guān)電源風(fēng)道風(fēng)向的上風(fēng)處,發(fā)熱量越大的器件要越靠近排氣風(fēng)扇.
??為了提高生產(chǎn)效率,經(jīng)常將多個(gè)功率器件固定在同一個(gè)大散熱器上,這時(shí)應(yīng)盡量使散熱片靠近PCB的邊緣放置.但與開關(guān)電源的外殼或其它部件至少應(yīng)留有1CM以上的距離.若在一塊電路板中有幾塊大的散熱器則它們之間應(yīng)平行且與風(fēng)道的風(fēng)向平行.在垂直方向上則發(fā)熱小的器件排在最低層而發(fā)熱大的器件排在較高處.發(fā)熱器件在PCB的布局上同時(shí)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離對(duì)溫度敏感的元器件,如電解電容等.
散熱片的制造材料是影響效能的重要因素,選擇時(shí)必須加以注意.目前加工散熱片所采用的金屬材料與常見金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù):
金317 W/mKAA6061型鋁合金155 W/mK
銀429 W/mKAA6063型鋁合金201 W/mK
鋁 237 W/mKADC12型鋁合金96 W/mK
鐵48 W/mKAA1070型鋁合金226 W/mK
銅401 W/mKAA1050型鋁合金209 W/mK
材料的導(dǎo)熱性能
之一:熱傳導(dǎo)系數(shù)
由于熱傳導(dǎo)是散熱器有效運(yùn)作的兩大方式之一,因此,散熱片材料的熱傳遞速度就是其中最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo),理論上稱作熱傳導(dǎo)系數(shù).
定義:每單位長度、每度K,可以傳送多少瓦數(shù)的能量,單位為W/mK.即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文(1K＝1℃)時(shí)的熱傳導(dǎo)功率.數(shù)值越大,表明該材料的熱傳遞速度越快.
熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好,但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格.熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀,由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價(jià)格過于昂貴而無法廣泛采用;鐵則由于熱傳導(dǎo)率過低,無法滿足高熱密度場合的性能需要,不適合用于制作計(jì)算機(jī)空冷散熱片.銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高,可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件,在電源相關(guān)散熱片中使用較少,但近兩年隨著對(duì)散熱設(shè)備性能要求的提高,越來越多的散熱器產(chǎn)品部分甚至全部采用了銅質(zhì)材料.鋁作為地殼中含量最高的金屬,因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而受到青睞.但由于純鋁硬度較小,在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金,寄此獲得許多純鋁所不具備的特性,而成為了散熱片加工材料的理想選擇.
之二:比熱容
熱傳遞的速度很重要,但是吸收熱量能力低也不利于散熱,這里又引入了比熱容的概念.
??定義:單位質(zhì)量下需要輸入多少能量才能使溫度上升一攝氏度,單位為卡/(千克×°C),數(shù)值越大代表物體容納熱量的能力越大.
材料比熱(卡/(千克×°C))
水1000
鐵113
鋁217
銅93
鉛31
銀56
根據(jù)上表得知,水比熱容最高,比金屬有更強(qiáng)的熱容能力,這也是水冷散熱器賴以生存的根本.值得注意的是,鋁的比熱容不低于銅,這就是為什么純銅散熱器的散熱效能并沒有大幅超出鋁質(zhì)散熱器的原因.
熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱值體現(xiàn)的是材料本身的特性.但是一款散熱器散熱性能的好壞,也要受到自身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響.而體現(xiàn)這方面整體性能的參數(shù),就要依靠熱阻與風(fēng)阻兩個(gè)概念了.同時(shí),散熱器的體積與重量也不可忽視.
之三:熱阻
??熱阻,英文名稱為thermal resistance,即物體對(duì)熱量傳導(dǎo)的阻礙效果.熱阻的概念與電阻非常類似,單位也與之相仿——℃/W,即物體持續(xù)傳熱功率為1W時(shí),導(dǎo)熱路徑兩端的溫差.以散熱器而言,導(dǎo)熱路徑的兩端分別是發(fā)熱物體(如CPU等)與環(huán)境空氣.
??散熱器熱阻＝(發(fā)熱物體溫度-環(huán)境溫度)÷導(dǎo)熱功率.
??散熱器的熱阻顯然是越低越好——相同的環(huán)境溫度與導(dǎo)熱功率下,熱阻越低,發(fā)熱物體的溫度就越低.但是,決定熱阻高低的參數(shù)非常多,與散熱器所用材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都有關(guān)系.
??必須注意:上述公式中為“導(dǎo)熱功率”,而非“發(fā)熱功率”.因?yàn)闊o法保證發(fā)熱物體所產(chǎn)生的熱量全部通過散熱器一條路徑傳導(dǎo)、散失,任何與發(fā)熱物體接觸的低溫物體(包括空氣)都可能成為其散熱路徑,甚至還可以通過熱輻射的方式散失熱量.所以,當(dāng)環(huán)境或發(fā)熱物體溫度改變時(shí),即使發(fā)熱功率不變,由于通過其它途徑散失的熱量改變,散熱器的導(dǎo)熱功率也可能發(fā)生較大變化.如果以發(fā)熱功率計(jì)算,就會(huì)出現(xiàn)散熱器在不同環(huán)境溫度下熱阻值不同的現(xiàn)象.
??散熱器(不僅限于風(fēng)冷散熱器,還可包括被動(dòng)空冷散熱片、液冷、壓縮機(jī)等)所標(biāo)注的熱阻值根據(jù)測試環(huán)境與方法的不同可能存在較大差異,而與用戶實(shí)際使用中的效果也必然存在一定差異,不可一概而論,應(yīng)根據(jù)具體情況分析.
雖然型材散熱器已有了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB742312287) ,但其中的自然對(duì)流和強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下的熱阻關(guān)系曲線均為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理所得, 而在實(shí)際應(yīng)用中影響散熱器熱阻的因素比較多,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)用有一定誤差.如何綜合考慮這些因素, 使得在一定工作條件下散熱器的熱阻最小, 也是工程設(shè)計(jì)中迫切需要解決的問題.因此, 對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也就非常必要.散熱器的優(yōu)化問題屬于有約束多變量優(yōu)化問題,其目標(biāo)函數(shù)是散熱器與環(huán)境之間的熱阻,設(shè)計(jì)變量是設(shè)計(jì)者可選擇的參數(shù)(肋高、肋長、肋厚、肋片數(shù)目、肋片形狀、肋片材料等) .
風(fēng)阻
??風(fēng)冷散熱器的散熱片需要仰仗風(fēng)扇的強(qiáng)制導(dǎo)流才可發(fā)揮完全的性能,實(shí)際通過的有效風(fēng)量與散熱效果關(guān)系密切,而散熱片會(huì)對(duì)風(fēng)量造成影響的指標(biāo)就是“風(fēng)阻”了.
??風(fēng)阻,正如其名,是物體對(duì)流過氣流的阻礙作用,但卻不能如電阻、熱阻般用具體數(shù)值來衡量.通常,以風(fēng)量與進(jìn)/出口壓強(qiáng)差繪制出壓強(qiáng)-流量曲線(P-Q曲線),這條曲線便是散熱器對(duì)通過氣流的阻礙效果——相同壓強(qiáng)差下,風(fēng)阻越小,風(fēng)量越大;相同風(fēng)量下,風(fēng)阻越大,壓強(qiáng)差越大.
??那么風(fēng)阻是否越小越好呢?如果能保證有效散熱面積,當(dāng)然!可惜,散熱片的有效散熱面積與風(fēng)阻往往不能兩全,在提高有效散熱面積的同時(shí),難免增大風(fēng)阻,在散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中就需要進(jìn)行權(quán)衡了.散熱片設(shè)計(jì)一旦確定,風(fēng)阻(P-Q曲線)也就基本確定下來,我們能夠做的,只有為它選配合適的風(fēng)扇,令其發(fā)揮出設(shè)計(jì)應(yīng)有性能了.為散熱片搭配合適的風(fēng)扇,需結(jié)合散熱片阻抗(風(fēng)阻)曲線與風(fēng)扇特性曲線進(jìn)行分析.
目前散熱片主要采用Extruded(擠壓技術(shù));Skiving(切割技術(shù));Fold FIN(折葉技術(shù));Forge(鍛造技術(shù)),四種制造技術(shù).顧名思義,切割技術(shù)其實(shí)就是把一塊塊的金屬,用專用切割機(jī)切出散熱片來.使用這種切割技術(shù)加工的散熱片將會(huì)很薄和很精密,這樣就會(huì)有效地增加散熱面積.和擠壓技術(shù)一樣,切割技術(shù)也很適合鋁材,因?yàn)殇X材的重量和密度上都有著輕便和相對(duì)較低的特點(diǎn),這樣的材料就很適合其散熱器制造和任意改良散熱器.而采用銅材質(zhì)的散熱器切割起來就多一些難度,對(duì)技術(shù)要求較高.
常見導(dǎo)熱材料傳導(dǎo)、密度系數(shù)表:

散熱器的制作材料在很大程度上決定了散熱器性能的高低.很多工程師認(rèn)為使用金、銀作為散熱器制作材料會(huì)大大提升散熱效果,但從上表中我們可以看到,熱傳導(dǎo)系數(shù)最高的并不是人們想象的金屬元素而是非金屬,而且金、銀的導(dǎo)熱能力可不是十分突出.
在金屬單體中,銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)與銀十分接近,而金的熱傳導(dǎo)率卻要遠(yuǎn)小于銅,而且金銀的價(jià)格昂貴,不適合大批量制作散熱器.我們常見的散熱器經(jīng)常使用銅、鋁.除了其導(dǎo)熱能力相對(duì)較好,材料成本比較低外,其加工相對(duì)容易,方便大批量生產(chǎn)也是一個(gè)重要的因素.銅的熱傳導(dǎo)率約是鋁的1.69倍,采用銅制散熱器從理論上會(huì)比鋁制散熱器散熱效果更好.但是鋁的密度比銅低很多,所以一般來說,采用鋁為原料制作散熱片比較容易加工.
常見材料的熱導(dǎo)系數(shù)如下:

常見材料的TCE(熱膨脹系數(shù))值如下:

各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要,通過調(diào)整配方材料的成分與比例,可以獲得各種不同的特性,適合于不同的成形、加工方式,應(yīng)用于不同的領(lǐng)域.列出的5種不同鋁合金中:AA6061與AA6063具有不錯(cuò)的熱傳導(dǎo)能力與加工性,適合于擠壓成形工藝,在散熱片加工中被廣為采用.ADC12適合于壓鑄成形,但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低,因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替,可惜加工機(jī)械性能方面不及ADC12.AA1050則具有較好的延展性,適合于沖壓工藝,多用于制造細(xì)薄的鰭片.根據(jù)已知的"工藝-材料-結(jié)構(gòu)"關(guān)系式,應(yīng)該選用能夠提供最大經(jīng)濟(jì)效益的材料.6063合金的歷史和最新發(fā)展表明,它將是散熱器功能材料領(lǐng)域上最有力的競爭者.
6063鋁合金散熱器以熱阻特性值為基本判據(jù)的電力半導(dǎo)體器件用特殊機(jī)械產(chǎn)品,因此作為散熱器擠壓型材以及合金的潛在性能,具有以下特點(diǎn):
1)具有較好的可擠壓性,以能適應(yīng)各種形狀散熱器表面積要求;
2)良好的機(jī)加工性能;
3)適宜的力學(xué)性能,尤其是機(jī)械強(qiáng)度和蠕變的性能以及物理性能;
4)具有吸引力的商品外觀,一定的耐蝕性,以及陽極化著色的處理的能力.
鋁合金型材散熱器從冷卻方式上分為自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷.從結(jié)構(gòu)上分為電子元件型、平板晶閘管型、螺栓晶體管型、功率模塊型等.散熱器表面經(jīng)電泳涂漆發(fā)黑或陽極氧化發(fā)黑粉末噴涂處理后,進(jìn)一步提高產(chǎn)品的耐腐蝕性、耐磨性,其散熱量在自然冷卻下提高10%~15%,在強(qiáng)迫風(fēng)冷下提高30%,電泳涂漆后表面可耐壓500V~800V.
在元器件布局時(shí),應(yīng)將發(fā)熱器件安放在下風(fēng)位置或在印制板的上部,散熱器采用氧化發(fā)黑工藝處理,以提高輻射率.散熱片的吸熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底設(shè)計(jì).而黑色有很好的吸熱性能.另外噴涂三防漆后會(huì)影響散熱效果,需要適當(dāng)加大裕量.散熱器安裝器件的平面要求光滑平整,一般在接觸面涂上硅脂以提高導(dǎo)熱率.一般散熱器廠商提供特定散熱器材料的形狀參數(shù)和熱阻特性曲線,據(jù)此設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)計(jì)算出的熱阻求出所需散熱器的表面積、長度、重量.
常見的導(dǎo)熱油脂包括兩種:人工合成的無硅散熱油脂和含硅的散熱油脂;常見的散熱片如下圖:

為解決特殊的電子冷卻問題選擇和設(shè)計(jì)合適的散熱器是十分關(guān)鍵的一步.散熱器的性能與很多參數(shù)有關(guān),比如:散熱器周圍空氣的溫度和流速;其他通過器件和電路板的熱傳導(dǎo)途徑的強(qiáng)度;散熱器和所貼附器件之間的接觸熱阻;從散熱器到一個(gè)冷表面的熱輻射路徑,等等.在某一應(yīng)用中工作良好的散熱器換一種情況可能就不起作用了.散熱器還會(huì)對(duì)電磁場產(chǎn)生影響(尤其是在沒有接地的時(shí)候影響更顯著).附錄的應(yīng)用案例和技術(shù)文檔詳細(xì)闡述了Flomerics軟件是如何對(duì)許多不同情況分析和優(yōu)化散熱器性能的.
10 高頻變壓器和電抗器的熱設(shè)計(jì)
根據(jù)電路拓?fù)浜洼斎?、輸出參?shù)就可以計(jì)算出電磁元件的設(shè)計(jì)參數(shù).磁元件的損耗是線圈設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)之一.圖6-16 是一個(gè)變壓器銅損耗和磁芯損耗定性關(guān)系圖.在給定絕緣等級(jí)和應(yīng)用環(huán)境條件(溫升)下,選取較高的ΔB 值,可以減少匝數(shù),但磁芯損耗Pc 增加;線圈匝數(shù)減少,導(dǎo)線電阻減少,線圈損耗PW 下降;反之,Pc 增加,而PW 減少.變壓器的總損耗P 是兩者之和.在某一個(gè)匝數(shù)N(B)下有一個(gè)最小值,即當(dāng)PW ＝PC 時(shí)變壓器損耗最小,體積也最小.實(shí)際上,完全達(dá)到最優(yōu)是困難的,但在圖6-16 虛線包圍的范圍內(nèi)已相當(dāng)滿意了.
IEC規(guī)定絕緣材料7 個(gè)耐溫等級(jí)如表6-2 所示.
表6-2 IEC 絕緣等級(jí)極限溫度
絕緣等級(jí)YAEBFHC
工作溫度℃90105120130155180>180
根據(jù)采用的絕緣等級(jí)和環(huán)境溫度Ta,就可以決定線圈的允許溫升
ΔT=Tmax-Ta (6-14)
式中Tmax-絕緣等級(jí)一般允許的最高溫度.例如實(shí)際A 級(jí)絕緣允許最高工作溫度為90℃,這是平均溫度,最高溫度有可能達(dá)到等級(jí)極限溫度.
Ta-環(huán)境溫度(℃),應(yīng)當(dāng)是工作環(huán)境溫度.
如果磁芯材料采用非晶合金或磁粉芯,居里溫度一般在250℃以上,磁特性的溫度穩(wěn)定性好,采用B 級(jí)以上絕緣.鐵氧體居里點(diǎn)一般在250℃以下,同時(shí)損耗曲線大約在100℃以上是正溫度系數(shù),即溫度增加,損耗增加.一般磁芯平均溫度控制在100℃以下,變壓器熱點(diǎn)溫度不應(yīng)當(dāng)超過120℃,與其相應(yīng)的絕緣一般采用E 級(jí)絕緣,最高工作溫度100℃左右.如果磁芯損耗與線圈損耗相等,自然冷卻時(shí)溫升40℃,磁芯比損耗為100mW/cm3.
磁元件線圈的溫升是線圈總損耗和它表面散熱能力的綜合結(jié)果.熱阻有兩個(gè)主要部分:熱源(磁芯和線圈)和變壓器表面之間的內(nèi)熱阻Ri,以及由變壓器表面到外部環(huán)境的外熱阻Rth.
內(nèi)熱阻主要取決于線圈物理結(jié)構(gòu).因?yàn)闊嵩丛谡麄€(gè)變壓器是分布的,很難定量決定.又因最高溫度的“熱點(diǎn)”,實(shí)際上產(chǎn)生很小的熱量.Ri與由表面到內(nèi)熱點(diǎn)無關(guān),是一個(gè)平均值.磁芯產(chǎn)生熱的大部分(非環(huán)形)靠近變壓器內(nèi)表面.在線圈內(nèi)產(chǎn)生的熱分布在表面到內(nèi)磁芯之間.雖然銅的熱阻很低,但絕緣和空隙提高了線圈內(nèi)的熱阻.這些參數(shù)常常由經(jīng)驗(yàn)決定.通常內(nèi)熱阻Ri遠(yuǎn)小于外熱阻Rth(除強(qiáng)迫通風(fēng)外).
外熱阻Rth主要由通過變壓器表面氣流-自然對(duì)流還是強(qiáng)迫通風(fēng)決定.自然冷卻時(shí)Rth很大程度上取決于變壓器表面積以及如何安裝,和它周圍空氣流有否障礙.變壓器安裝在水平表面上,并且全部元件圍繞它,或者安裝在相當(dāng)小的容器內(nèi),Rth要比安裝在垂直表面而有利于“煙囪效應(yīng)”大得多.對(duì)于強(qiáng)迫冷卻,Rth可降低到很小數(shù)值,這取決于氣流速度.此時(shí)內(nèi)熱阻Ri成為主要因素.強(qiáng)迫空氣冷卻,熱阻與溫升通常無關(guān).在決定整機(jī)效率后,整機(jī)損耗也就決定了.根據(jù)整機(jī)分配到磁元件的損耗稱為絕對(duì)損耗.因此整機(jī)效率是絕對(duì)損耗的決定因素.而溫升是平均溫升,也并非磁芯最熱點(diǎn)溫度與表面溫度之差.
根據(jù)“熱路”歐姆定律,溫升和損耗的關(guān)系為:
△T＝Rth×P
式中Rth-熱阻(W/℃).
雖然有不少文獻(xiàn)介紹電磁元件的溫升估算方法,但是尚無簡單而精確的分析方法.精確計(jì)算可用有限元計(jì)算機(jī)分析.通常應(yīng)用磁性元件熱阻與表面輻射和自然對(duì)流散熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算溫升,精度可在10℃以內(nèi).熱阻的經(jīng)驗(yàn)公式為
Rth＝295A-0.7×P-0.15
線圈溫升為
△T＝Rth×P＝295A-0.7×P0.85
式中P-磁元件總的損耗功率(W);
A-磁元件的計(jì)算表面積(cm2).
可見,熱阻不僅與輻射表面有關(guān),而且還與磁元件的耗散功率有關(guān).有些磁芯生產(chǎn)廠列出不同規(guī)格磁芯的熱阻Rth.通常中心柱上最熱點(diǎn)比表面溫度大約高10~15℃.表面與周圍空氣較大的溫度差使得表面更容易散熱,即熱阻更低.
例4 E55 型磁芯,材料為3F3 工作頻率為200kHz、磁感應(yīng)B 為0.08T.銅損耗為3W.散熱表面為106.5cm2.求線圈溫升.
解:由磁芯材料3F3 在100℃時(shí)單位損耗與磁感應(yīng)關(guān)系中,查得0.08T 時(shí)單位體積損耗為80mW/cm3.從E55 規(guī)格表中查的有效體積為43.5cm3.因此磁芯損耗為
PW=0.08×43.5=3.48W
總損耗
P=Pc+Pw=3.48+3=6.48W
根據(jù)式(6-17)得到
△T＝295A-7×P0.85＝295×106.5-0.7×6.480.85＝55℃
在設(shè)計(jì)開關(guān)電源開始時(shí),根據(jù)輸出功率,輸出電壓和輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、輸入電壓、環(huán)境條件等因素,設(shè)計(jì)者憑經(jīng)驗(yàn)或參照同類樣機(jī),給出一個(gè)可能達(dá)到的效率,由此得到總損耗值.再將總損耗分配到各損耗部件,得到變壓器的允許損耗.變壓器損耗使得線圈和磁芯溫度提高,線圈中心靠近磁芯表面溫度最高,此最大“熱點(diǎn)” 限制了變壓器的溫升.根據(jù)式(6-15),溫升ΔT(℃)等于變壓器熱阻Rth(℃/ W)乘以功率損耗P(W):
△T＝Rth×P
在一般工業(yè)產(chǎn)品中,民用環(huán)境溫度最高為40℃.變壓器內(nèi)部最高溫度受磁芯和絕緣材料限制,如果采用鐵氧體與A或E級(jí)絕緣,變壓器溫升一般定為40~50℃溫升.其內(nèi)部熱點(diǎn)溫度為100℃.如果溫升過高,應(yīng)當(dāng)采用較大尺寸的磁芯.如果要求較小的體積,應(yīng)當(dāng)采用合金磁芯和高絕緣等級(jí)的絕緣材料,允許較高溫升,但使效率降低.
變壓器損耗分為磁芯損耗和線圈損耗,很難精確預(yù)計(jì).磁芯損耗包括磁滯損耗和渦流損耗.線圈損耗包括直流損耗和高頻損耗.引起變壓器溫升主要是穩(wěn)態(tài)損耗,而不是瞬態(tài)損耗.
1) 磁芯損耗
a 磁芯磁滯損耗與頻率和磁通擺幅有關(guān).在所有Ⅱ類和Ⅲ類磁芯工作狀態(tài)(正激和推挽類拓?fù)?中,Uo=DUi/n(n=N1/N2-變壓器變比).當(dāng)工作頻率固定,伏秒積即磁通變化量是常數(shù),所以磁滯損耗是常數(shù),與Ui和負(fù)載電流無關(guān).
b 磁芯渦流損耗實(shí)際上即磁芯材料的電阻損耗-I2R.渦流大小正比于磁通變化率,即與變壓器伏/匝成正比.因此,如Ui加大一倍,渦流增加一倍,峰值損耗I2R增加4倍;如保持輸出穩(wěn)定,占空度下降一半,則平均損耗I2R增加一倍.可見磁芯渦流損耗正比于Ui,最壞情況是最高電壓.磁芯渦流損耗還與磁芯結(jié)構(gòu)有關(guān),如果磁芯由相互絕緣的疊片或幾塊較小的截面組成,渦流比整體小.
2) 線圈損耗
低頻線圈損耗是容易計(jì)算的.但高頻線圈渦流很難精確確定,因?yàn)殚_關(guān)電流矩形波包含高次諧波.在正激或推挽類拓?fù)渲?如果斜坡分量是斜坡中心值的1/5時(shí),次級(jí)峰值電流可近似等于負(fù)載電流,而峰值初級(jí)電流等于負(fù)載電流除以匝比:
I2p ＝Io
I1p ＝I2p /n
峰值電流與Ui無關(guān).而在峰值電流為常數(shù)時(shí)(負(fù)載不變),有效值電流的平方,即線圈損耗(I2R損耗)正比于占空度D,反比于Ui.(對(duì)于峰值電流不變,高次諧波主要由開關(guān)瞬態(tài)引起的,D無明顯變化).線圈損耗在低Ui時(shí)總是最大.
變壓器和電抗器可以放置在風(fēng)道中,以加強(qiáng)散熱.但最主要的還是設(shè)法降低其散熱量,通過合理選擇鐵心材料和設(shè)計(jì)繞組,可以最大限度地降低其損耗,從而減少發(fā)熱.
在機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)散熱問題是考慮最多的問題,需要考慮主要發(fā)熱元件的擺放位置、風(fēng)道的設(shè)計(jì)、冷卻元器件的分離等,就目前的資料來看,各有優(yōu)缺點(diǎn),很難確定一個(gè)最佳方案.

11 高頻功率開關(guān)器件和二極管的熱設(shè)計(jì)
開關(guān)器件的發(fā)熱量占整機(jī)的50%~80%,因此是熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn).由于半導(dǎo)體在較高的溫度條件下會(huì)變成導(dǎo)體,從而失去電壓阻斷能力,因此器件工作中管芯的結(jié)溫不能超過允許值,這一上限同管芯材料和工藝有關(guān).對(duì)于目前普遍采用的硅材料制造的各種高頻開關(guān)器件,如IGBT、MOSFET和GTR而言,其結(jié)溫上限為125~175℃.器件工作中都會(huì)產(chǎn)生損耗,以熱的形式通過器件的殼體散發(fā)到環(huán)境中,傳熱過程中結(jié)-殼間會(huì)形成溫差.
從設(shè)計(jì)的角度,可以簡化為管芯-管殼、管殼-散熱器和散熱器-環(huán)境等相串聯(lián)的多個(gè)傳熱過程.如圖所示:

熱阻、溫差和發(fā)熱功率間的關(guān)系為

熱設(shè)計(jì)的目的就是在溫差和發(fā)熱功率基本確定的條件下,選擇合適的熱阻使工作時(shí)管芯的溫度低于最大允許的結(jié)溫.選取原則包括選取電流容量大的器件,它具有較小的熱阻;采用器件并聯(lián)可以成倍的降低熱阻.
進(jìn)行功率器件及功率模塊散熱計(jì)算的目的,就是在確定的散熱條件下選擇合適的散熱器,以保證器件或模塊安全、可靠地工作.散熱器的設(shè)計(jì)必須顧及使用環(huán)境、條件,以及元件允許的工作溫度等多種參數(shù).但是對(duì)散熱器的傳熱分析目前國內(nèi)外都還研究得很不夠,工程應(yīng)用中的設(shè)計(jì)大多是憑經(jīng)驗(yàn)選取,并作相應(yīng)的核校計(jì)算.
電力電子設(shè)備中的功率器件在工作時(shí)其自身也會(huì)消耗一定的電能,把單位時(shí)間內(nèi)功率器件所消耗的電能稱作為器件的功率損耗.器件的功率消耗將導(dǎo)致其結(jié)溫升高從而產(chǎn)生了散熱冷卻的要求;而散熱器在單位時(shí)間內(nèi)所散發(fā)出的熱能量叫耗散功率.在設(shè)備正常穩(wěn)定工作時(shí),器件的功率損耗和散熱器的耗散功率將達(dá)到平衡,器件的溫度也不會(huì)繼續(xù)升高,即系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡狀態(tài).
在系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)中就正是根據(jù)能達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的功率參數(shù)來確定散熱器應(yīng)當(dāng)具備的相關(guān)參數(shù),因此在設(shè)計(jì)過程中一般先根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際電路工作參數(shù)來計(jì)算出功率器件的功率損耗,然后以此作為依據(jù)計(jì)算散熱器相關(guān)參數(shù).
而功率器件的功率損耗一般包括器件的通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、斷態(tài)漏電流損耗及驅(qū)動(dòng)損耗幾個(gè)部分.
功率器件開關(guān)損耗包括了開通損耗和關(guān)斷損耗,開關(guān)的開通和關(guān)斷過程伴隨著電壓和電流的劇烈變化,因此產(chǎn)生較大的損耗,而且開關(guān)損耗的大小在很多情況下占有了器件總的功率損耗的相當(dāng)大比重,甚至是主要部分,尤其是當(dāng)器件處于高頻工作情形下.
功率器件的開關(guān)損耗與負(fù)載的特性有關(guān),一般簡化為感性負(fù)載和阻性負(fù)載兩種情況來計(jì)算開關(guān)損耗.
功率器件的驅(qū)動(dòng)損耗
功率器件在開關(guān)過程中消耗在驅(qū)動(dòng)控制板上的功率以及在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)維持一定的柵極電壓、電流所消耗的功率稱為開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)損耗.一般情況下,這部分的功率損耗與器件的其他部分損耗相比可以忽略不計(jì),但對(duì)于GTO、GTR等通態(tài)電流比較大的功率器件則需要特殊考慮.
根據(jù)變壓器二次側(cè)整流二極管的平均電流可以估算其通態(tài)損耗為
PDon=IDmax×UD
式中UD取二極管在流過峰值電流時(shí)的通態(tài)壓降.
二極管的開關(guān)損耗可以按下式估算:
PDS=(eon+eoff)fs
式中eon和eoff 為每次開通和關(guān)斷耗散的開關(guān)能量;fs為電路的開關(guān)頻率.根據(jù)經(jīng)驗(yàn),按通態(tài)損耗的1.5~2倍估算.
根據(jù)二極管的損耗功率和器件的結(jié)溫上限以及環(huán)境溫度的上限,可以計(jì)算出允許的散熱熱阻的上限為
RthJ-C+ RthC-A≦(TJM-TAM)/(PDon+PDS)
式中RthJ-C為二極管的結(jié)殼熱阻;RthC-A為散熱器的熱阻;TJM為二極管允許的最高結(jié)溫;TAM為技術(shù)要求中環(huán)境溫度的上限.
二極管的結(jié)殼熱阻加散熱器的熱阻不能超過上式給出的上限,這是選取二極管及其散熱器的依據(jù).
根據(jù)變壓器一次側(cè)開關(guān)器件的平均電流可以估算其通態(tài)損耗為
PSon=ISmax×US
式中US取開關(guān)器件在流過峰值電流時(shí)的通態(tài)壓降.對(duì)于MOSFET等單極型器件,應(yīng)采用其通態(tài)電阻和流過其溝道的電流有效值計(jì)算通態(tài)損耗,對(duì)于IGBT、GTR等雙極型器件,應(yīng)采用其飽和壓降乘以通態(tài)平均電流計(jì)算通態(tài)損耗.
開關(guān)器件的開關(guān)損耗可以按下式估算:
PSS=(eon+eoff)fs
式中eon和eoff 為每次開通和關(guān)斷耗散的開關(guān)能量;fs為電路的開關(guān)頻率.根據(jù)經(jīng)驗(yàn),按通態(tài)損耗的1~1.5倍估算.
根據(jù)開關(guān)器件的損耗功率和器件的結(jié)溫上限以及環(huán)境溫度的上限,可以計(jì)算出允許的散熱熱阻的上限為
RthJ-C+ RthC-A≦(TJM-TAM)/(PSon+PSS)
式中RthJ-C為開關(guān)器件的結(jié)殼熱阻;RthC-A為散熱器的熱阻;TJM為開關(guān)器件允許的最高結(jié)溫;TAM為技術(shù)要求中環(huán)境溫度的上限.
開關(guān)器件的結(jié)殼熱阻加散熱器的熱阻不能超過上式給出的上限,這是選取開關(guān)器件及其散熱器的依據(jù).詳見楊旭等著,開關(guān)電源技術(shù)相關(guān)部分內(nèi)容.
如MOSFET IRFP22N50A熱特性:

如IGBT IRG4PC50F熱特性:

如輸出整流雙二極管FFA15U40DN熱特性:

如輸出整流雙二極管BYV255V熱特性:
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功率器件熱設(shè)計(jì)
由于半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位,其熱量主要來源于半導(dǎo)體器件的開通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗.從電路拓?fù)浞绞缴蟻碇v,采用零開關(guān)變換拓?fù)浞绞疆a(chǎn)生諧振使電路中的電壓或電流在過零時(shí)開通或關(guān)斷可最大限度地減少開關(guān)損耗但也無法徹底消除開關(guān)管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法.
功率器件熱設(shè)計(jì)是要防止器件出現(xiàn)過熱或溫度交變引起的熱失效,可分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計(jì)、封裝的熱設(shè)計(jì)和管殼的熱設(shè)計(jì)以及功率器件實(shí)際使用中的熱設(shè)計(jì).其主要關(guān)系如圖所示.
對(duì)于一般的功率器件,在生產(chǎn)工藝階段,就要充分考慮器件內(nèi)部、封裝和管殼的熱設(shè)計(jì),當(dāng)功率器件功耗較大時(shí),依靠器件本身的散熱(芯片、封裝及管殼的熱設(shè)計(jì))并不能夠滿足散熱要求.功率器件結(jié)溫可能會(huì)超出安全結(jié)溫,此時(shí)需要安裝合適的散熱器,通過散熱器有效散熱,保證器件結(jié)溫在安全結(jié)溫之內(nèi)且能長期正?？煽康墓ぷ?
合理選取散熱器
功率器件使用散熱器是要控制功率器件的溫度,尤其是結(jié)溫Tj,使其低于功率器件正常工作的安全結(jié)溫,從而提高功率器件的可靠性.功率器件散熱器隨著功率器件的發(fā)展,得到了飛速發(fā)展,常規(guī)散熱器趨向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化,而新產(chǎn)品則向低熱阻、多功能、體積小、重量輕、適用于自動(dòng)化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展.合理地選用、設(shè)計(jì)散熱器,能有效降低功率器件的結(jié)溫,提高功率器件的可靠性.
各種功率器件的內(nèi)熱阻不同,安裝散熱器時(shí)由于接觸面和安裝力矩的不同,會(huì)導(dǎo)致功率器件與散熱器之間的接觸熱阻不同.選擇散熱器的主要依據(jù)是散熱器熱阻RTf.在不同的環(huán)境條件下,功率器件的散熱情況也不同.因此選擇合適散熱器還要考慮環(huán)境因素、散熱器與功率器件的匹配情況以及整個(gè)電子設(shè)備的大小、重量等因素.
功率器件熱設(shè)計(jì)和散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)
功率器件熱設(shè)計(jì)和散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案示于圖2.首先根據(jù)功率器件正常工作時(shí)的性能參數(shù)和環(huán)境參數(shù),如環(huán)境溫度、器件功耗和結(jié)溫等,計(jì)算功率器件結(jié)溫是否工作在安全結(jié)溫之內(nèi),判斷是否需要安裝散熱器進(jìn)行散熱,如功率器件需安裝散熱器進(jìn)行散熱,計(jì)算相應(yīng)的散熱器熱阻,初選一散熱器;重新計(jì)算功率器件結(jié)溫,判斷功率器件結(jié)溫是否在安全結(jié)溫之內(nèi),所選散熱器是否滿足要求;對(duì)于符合要求的散熱器,應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

12 模塊電源的熱設(shè)計(jì)
目前國內(nèi)市場使用模塊電源的國外模塊主要供應(yīng)商為VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON以及POWER-ONE,國產(chǎn)模塊主要的供應(yīng)商有中興、新雷能、迪賽、24所等.為實(shí)現(xiàn)高功率密度,在電路上,早期采用準(zhǔn)諧振和多諧振技術(shù),但這一技術(shù)器件應(yīng)力高,且為調(diào)頻控制,不利于磁性器件的優(yōu)化.后來這一技術(shù)發(fā)展為高頻軟開關(guān)和同步整流.由于采用零電壓和零電流開關(guān),大大降低了器件的開關(guān)損耗,同時(shí)由于器件的發(fā)展,使模塊的開關(guān)頻率大為提高,一般PWM可達(dá)500kHz以上.大大降低了磁性器件的體積,提高了功率密度.
模塊電源工藝發(fā)展方向如下:
1)降低熱阻,改善散熱
為改善散熱和提高功率密度,中大功率模塊電源大都采用多塊印制板疊合封裝技術(shù),控制電路采用普通印制板置于頂層,而功率電路采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的板材置于底層.早期的中大功率模塊電源采用陶瓷基板改善散熱,這種技術(shù)為適應(yīng)大功率的需要,發(fā)展成為直接鍵合銅技術(shù)(Direct Copper Bond,DCB),但因?yàn)樘沾苫逡姿?在基板上安裝散熱器困難,功率等級(jí)不能做得很大.后來這一技術(shù)發(fā)展為用絕緣金屬基板(Insutalted Mental Substrate,IMS)直接蝕刻線路.最為常見的基板為鋁基板,它在鋁散熱板上直接敷絕緣聚合物,再在聚合物上敷銅,經(jīng)蝕刻后,功率器件直接焊接在銅上.為了避免直接在IMS上貼片造成熱失配,還可以直接采用鋁板作為襯底,控制電路和功率器件分別焊于多層(大于四層,做變壓器繞阻)FR-4印制板上,然后把焊有功率器件的一面通過導(dǎo)熱膠粘接在已成型的鋁板上固定封裝.不少模塊電源為了更利于導(dǎo)熱、防潮、抗震,進(jìn)行了壓縮密封.最常用的密封材料是硅樹脂,但也有采用聚氨酯橡膠或環(huán)氧樹脂材料.后兩種方式絕緣性能好,機(jī)械強(qiáng)度高,導(dǎo)熱性能好,成為近年來模塊電源的發(fā)展趨勢之一,是提高模塊功率密度的關(guān)鍵技術(shù).
2)二次集成和封裝技術(shù)
為提高功率密度,近年開發(fā)的模塊電源無一例外采用表面貼裝技術(shù).由于模塊電源的發(fā)熱量嚴(yán)重,采用表面貼裝技術(shù)一定要注意貼片器件和基板之間的熱匹配,為了簡化這些問題,最近出現(xiàn)了MLP(Multilayer Polymer)片狀電容,它的溫度膨脹系數(shù)和銅、環(huán)氧樹脂填充劑以及FR4 PCB板都很接近,不易出現(xiàn)象鉭電容和磁片電容那樣因溫度變化過快而引起電容失效的問題.另外為進(jìn)一步減小體積,二次集成技術(shù)發(fā)展也很快,它是直接購置裸芯片,經(jīng)組裝成功能模塊后封裝,焊接于印制板上,然后鍵合.這一方式功率密度更高,寄生參數(shù)更小,因?yàn)椴捎孟嗤牧系幕?不同器件的熱匹配更好,提高了模塊電源的抗冷熱沖擊能力.李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的CPES在工藝上正在研究IPEM(IntegratedPower Electronics Module),它是一種三維的封裝結(jié)構(gòu),主要針對(duì)功率電路,取代線鍵合技術(shù).
3)扁平變壓器和磁集成技術(shù)
磁性元件往往是電源中體積最大、最高的器件,減小磁性元件的體積就提高了功率密度.在中大功率模塊電源中,為滿足標(biāo)準(zhǔn)高度的要求,大部分的專業(yè)生產(chǎn)廠家自己定做磁芯.而現(xiàn)有的磁性供應(yīng)商只有飛利浦可以提供通用的扁平磁芯,且這種變壓器的繞組制作也存在一定難度.采用這種磁芯可以進(jìn)一步減小體積,縮短引線長度,減小寄生參數(shù).CPES一直在研究一種磁集成技術(shù),福州大學(xué)的陳為教授3年前在CPES研究了磁集成技術(shù),他們做的一個(gè)樣機(jī)是半橋電路,輸出整流采用倍流整流技術(shù),而且輸出端的兩個(gè)電感跟主變壓器集成在一個(gè)鐵芯里,最后達(dá)到的功率密度為300W/in3.倍流整流技術(shù)適用于輸出電流大,對(duì)di/dt要求高的場合,比如在實(shí)現(xiàn)VRM的電路中就常常用這種整流電路.
12.1 散熱考慮
所有的功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于內(nèi)部功率消耗都將產(chǎn)生一些熱量.在每一應(yīng)用中都有必要限制這種“自身發(fā)熱”,使模塊外殼溫度不超過指定的最大值.在下面介紹了DC-DC轉(zhuǎn)換器外殼升溫的大概過程.
1)可用的功率密度
絕大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商都以產(chǎn)品的功率密度作為水準(zhǔn),來衡量產(chǎn)品的有效性.功率密度通常由瓦/立方英寸(W/in3)來表示.了解功率密度定義的條件是非常重要的.