开关电源的可靠性热设计

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开关电源的可靠性热设计
1引言
高功率密度是开关电源发展的方向之一,通过热设计尽可能减少电源内部产生的热量、减少热阻以提高效率外、选择合理的冷却方式是开关电源热设计的基本任务.开关电源除了电应力之外,温度是影响开关电源可靠性最重要的因素.开关电源内部的温升将导致元器件的失效,当温度超过一定值时,失效率将呈指数规律增加,温度超过极限值时将导致元器件失效.温度和故障率的关系是成正比的,可以用下式来表示:
F=Ae-E/KT
其中:F=故障率,A=常数,E=功率,K=玻尔兹曼常量(8.63e-5eV/K),T=结点温度.
为解决此问题可从两方面入手:(1)从电路结构上减少损耗,如采用更优的控制方式和技术,如高频软开关技术、移相控制技术、同步整流技术等,另外就是选用低功耗的器件,减少发热器件的数目,加大加粗印制线的宽度,提高电源的效率;(2)运用更有效的散热技术,利用传导、辐射、对流技术将热量转移,这包括采用散热器、风冷(自然对流和强迫风冷)、液冷(水、油)、热电致冷、热管等方法.在较大功率开关电源中的主要散热方式是强制风冷,因此提高强制风冷效果的技术就成了研究的重点.合理的风道设计和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.
在尽量通过优化设计等方式而减少功率开关发热量的同时,一般还需要通过散热器利用传导、对流、辐射的传热原理,将器件产生的热量快速释放到周围环境中去,以减少内部热累积,使元件工作温度降低.
2 开关电源的散热分析软件
目前开关电源研究者用flotherm或icepak电子系统散热仿真分析软件进行建模分析,但整个业界都还停留在传统人力分析热的阶段.用软件做热设计是最近才在中国业界流行起来的,热仿真不是无的放失,只有数据和模型提供的越准确,结果才越能反应真实情况,它主要是起一个指导作用.现在的电源行业要求体积小型化,原来的凭经验来设计散热器远不能满足发展的需要.
FLOTHERM是一套由电子系统散热仿真软件先驱----英国FLOMERICS软件公司开发并广为全球各地电子电路设计工程师和电子系统结构设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件,全球排名第一且市场占有率高达80%以上.其最显著的特点是针对电子设备的组成结构,提供热设计组件模型,根据这些组件模型可以快速建立机箱,插框,单板,芯片风扇,散热器等电子设备的各组成部分.
FLOTHERM采用了成熟的CFD(Computational Fluid Dynamic计算流体动力学)和数值传热学仿真技术开发而成,同时它还结合了FLOMERICS公司在电子设备传热方面的大量独特经验和数据库,并拥有大量专门针对电子工业而开发的模型库.应用FLOTHERM可以从电子系统应用的环境层、电子系统层、各电路板及部件层直至芯片内部结构层等各种不同层次对系统散热、温度场及内部流体运动状态进行高效、准确、简便的定量分析.它采用先进的有限体积法处理结构,可以同时在三维结构模型中模拟电子系统的热辐射、热传导、热对流、流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量,其中对散热的三种状态可以完全独立分析.对于国防领域经常碰到的多种冷却介质(如局部液冷)、有太阳辐射的户外设备和必须要考虑器件之间局部遮挡的高精度辐射散热计算等情况,FLOTHERM软件的求解器更有完善的处理能力.FLOTHERM强大的前后处理模块不但可以直接转换各类主流MCAD和EDA软件设计好的几何模型以减少建立模型的时间,还可以将运算后的数据以温度场平面等势图和流体运动三维动画或报告等形式直观方便地显示出来.
flotherm 软件基本可以分为前处理,求解,后处理三个部分.前处理包括project manager,drawing board和flogate.project manager 用于项目管理,物性参数,网格参数,计算参数的设定等.drawing board提供一个可视化的建立机柜,插框,单板,芯片几何模型的界面和计算网格划分的工具.通过在project manager和drawing board中的互动操作就可以完成具体的建摸操作.flogate是一个数据接口模块,它可以把单板的装配图文件(IDF格式)导入flotherm,直接完成单板的建摸设计.求解器是flosolve模块,它可以完成模型瞬态及稳态的温度场和流场计算.后处理部分包括Visulation,flomotion和table.Visulation完成仿真计算结果的可视化显示flomotion除了也可以用于可视化显示外,还可以制作流场的动化显示,热分析模型的大量计算数据如某区域的平均温度,空气流量等都可以通过table模块查询.
icepak是美国fluent公司通过集成ICEM  CFD公司的网格划分及后处理技术而开发成功的针对电子设备冷却分析的专用热设计软件,具有以下优点:
1)建模能力:除了有矩形,圆形建摸外,还有多种复杂形状模型,如椭球体,多面体,管道及斜坡等模型有thin-conduction模型 ;
2)网格技术:有结构化,非结构化网格;有四面体,有四面体六面体混合网格;能够对复杂模型快速生成高质量网格;支持结构化和非结构化的non-conformal网格;
3)求解器;FLUENT求解器能够求解多种流体介质问题;能够求解结构化,非结构化网格问题,支持网格并行.
3散热设计的一些基本原则
开关电源热设计的基本程序是:
    1)首先明确设计条件,如电源的功耗、发热量、容许温升、设备外形尺寸、设备放置的环境条件等;
    2)决定电源的冷却方式,并检查是否满足温度条件;
    3)分别对元件、线路、印制电路板和机箱进行热设计;
4)按热设计检查表进行检查,确定是否满足设计要求.
4 印制电路板版的热设计
从有利于散热的角度出发,印制板最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则:
1)对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按纵长方式排列;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按横长方式排列.
2)同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游.
3)在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响.
4)对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局.
5)电源内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板.空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域.整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题.
5 电子芯片的热设计
如何对产品进行热设计,首先我们可以从芯片厂家提供的芯片Datasheet为判断的基础.下面将对Datasheet中和散热有关的几个重要参数进行说明.
P—芯片功耗,单位W(瓦).功耗是热量产生的直接原因.功耗大的芯片,发热量也一定大.
Tc—芯片壳体温度,单位℃.
Tj—结点温度,单位℃.随着结点温度的提高,半导体器件性能将会下降.结点温度过高将导致芯片工作不稳定,系统死机,最终芯片烧毁.
Ta—环境温度,单位℃.
Tstg—存储温度,单位℃.芯片的储存温度.
Rja—结点到环境的热阻,单位℃/W.
Rjc—结点到芯片壳的热阻,单位℃/W
Ψjt--可以理解为结点到芯片上表面的热阻.当芯片热量只有部分通过上壳散出的时候的热阻参数.
LFM--风速单位,英尺/分钟.
由于IC封装使测量无法接触到结点,因此直接测量IC结温比较困难.作为一种替代方法,可以利用结到外壳的热阻( JC)和外壳到外部环境的热阻( CA)计算结温,如图1所示.在确定IC的结温时,热阻是最重要的参数: JA =  JC +  CA.

图1. 利用热阻计算IC结温的热状态电模型
随着热设计的重要性不断提高,大部分的芯片资料都会提供提供Tj、Rjc、P等参数.基本公式如下:
Tj=Tc+Rjc×P
只要保证Tj﹤Tjmax即可保证芯片正常工作.
归根结底,我们只要能保证芯片的结点温度不超过芯片给定的最大值,芯片就可以正常工作.
如何判断芯片是否需要增加散热措施:
1)搜集芯片的散热参数.主要有:P、Rja、Rjc、Tj等
2)计算Tcmax:Tcmax=Tj-Rjc×P
3)计算要达到目标需要的Rca:Rca=(Tcmax-Ta)/P
4)计算芯片本身的Rca’:Rca’=Rja-Rjc
如果Rca大于 Rca’,说明不需要增加额外的散热措施.
如果Rca小于Rca’,说明需要增加额外的散热措施.比如增加散热器、增加风扇等等.
    如前所述,Rja不能用于准确的计算芯片的温度,所以这种方法只能用于简单的判断.而不能用于最终的依据.
如UC3842A、UC3843A热特性:

6 PCB表面贴装电源器件的散热设计
  以Micrel公司表贴线性稳压器为例,介绍如何在仅使用一个印制电路板的铜铂作为散热器时是否可以正常工作.
1)系统要求:
VOUT=5.0V;VIN(MAX)=9.0V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=700mA;运行周期=100%;TA=50℃
根据上面的系统要求选择750mA MIC2937A-5.0BU稳压器,其参数为:
VOUT=5V±2%(过热时的最坏情况)
TJ MAX=125℃.采用TO-263封装,θJC=3℃/W;
θCS≈0℃/W(直接焊接在电路板上).
2)初步计算:
VOUT(MIN)=5V-5×2%=4.9V
PD=(VIN(MAX)-VOUT(MIN))+IOUT+(VIN(MAX)×I)=[9V-4.9V]×700mA+(9V×15mA)=3W
温度上升的最大值, ΔT=TJ(MAX)-TA = 125℃-50℃=75℃;热阻θJA(最坏情况):ΔT/PD=75℃/3.0W=25℃/W.
散热器的热阻, θSA=θJA-(θJC+θCS);θSA=25-(3+0)=22℃/W(最大).
3)决定散热器物理尺寸:
采用一个方形、单面、水平具有阻焊层的铜箔散热层与一个有黑色油性涂料覆盖的散热铜箔,并采用1.3米/秒的空气散热的方案相比较,后者的散热效果最好.
采用实线方案,保守设计需要5,000mm2的散热铜箔,即71mm×71mm(每边长2.8英寸)的正方形.
4)采用SO-8和SOT-223封装的散热要求:
在下面的条件下计算散热面积大小:VOUT=5.0V;VIN(MAX)=14V;VIN(MIN)=5.6V;IOUT=150mA;占空比=100%;TA=50℃.在允许的条件下,电路板生产设备更容易处理双列式SO-8封装的器件.采用MIC2951-03BM(SO-8封装),可以得到以下参数:
TJ MAX=125℃;θJC≈100℃/W.
5)计算采用SO-8封装的参数:
PD=[14V-5V]×150mA+(14V×8mA)=1.46W;
升高的温度=125℃-50℃=75℃;
热阻θJA(最坏的情况):
ΔT/PD=75℃/1.46W=51.3℃/W;
θSA=51-100=-49℃/W(最大).
显然,在没有致冷条件下,SO-8不能满足设计要求.考虑采用SOT-223封装的MIC5201-5.0BS调压器,该封装比SO-8小,但其三个引脚具有很好的散热效果.选用MIC5201-3.3BS,其相关参数如下:
TJ MAX=125℃
SOT-223的热阻θJC=15℃/W
θCS=0 ℃/W(直接焊在线路板上的).
6)计算采用SOT-223封装的结果:
PD=[14V-4.9V]×150mA+(14V×1.5mA)=1.4W
上升温度=125℃-50℃=75℃;
热阻θJA(最坏的情况):
ΔT/PD=75℃/1.4W=54℃/W;
θSA=54-15=39℃/W(最大).根据以上的数据,采用1,400 mm2的散热铜箔(边长1.5英寸的正方形)可以满足设计要求.
以上的设计结果可以作为粗略的参考,实际设计中需要了解电路板的热特性,得出更准确、满足实际设计的结果.
下表列出了普通表面安装的热阻额定值,详见数据手册.
表8典型的表面安装的热阻(单位:℃/W)
封装RjaRjc
SOD123340150
SOT2355675
SOT2231597.5
SO-86321
SMB13
SMC11
DPAK806
D2PAK502
7 强迫风冷散热方式的分析
通常条件下,热量的传递包括三种方式:传导、对流和辐射.传导是指直接接触的物体之间热量由温度高的一方向温度较低的一方的传递,对流是借助流体的流动传递热量,而辐射无需借助任何媒介,是发热体直接向周围空间释放热量.
强迫风冷的散热量比自然冷却大十倍以上,但是要增加风机、风机电源、联锁装置等,这不仅使设备的成本和复杂性增加,而且使系统的可靠性下降,另外还增加了噪声和振动,因而在一般情况下应尽量采用自然冷却,而不采用风冷、液冷之类的冷却方式.高频变压器和电感线圈应选用较粗的导线来抑制温升.从经验来看,尽量保证磁体损耗和线圈铜损的相同,可使高频变压器的整体功耗最小,减小发热量.
在实际应用中,散热的措施有散热器和风扇两种方式或者二者的同时使用.散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器,散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体,它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加,同时流通的空气也能带走更大的热能.风扇的使用也分为两种形式,一种是直接安装在散热器表面,另一种是安装在机箱和机架上,提高整个空间的空气流速.如果将温度等效为电压,将功率等效为电流,则图1所示的热模型类似于欧姆定律,V=I*R (欧姆定律) 散热的计算有一个最基本的公式:
    温差 =功耗×热阻

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8 风扇的选择
  风扇是风冷散热器中必不可少的组成部分,对散热效果起着至关重要的作用,是散热器中唯一的主动部件;同时,更对散热器的工作噪音有着决定性的影响.风扇在散热中的职责为:凭借自身的导流作用,令空气以一定的速度、一定的方式通过散热片,利用空气与散热片之间的热交换带走其上堆积的热量,从而实现“强制对流”的散热方式.
散热片即使结构再复杂,也只是一个被动的热交换体;因此,一款风冷散热器能否正常“工作”,几乎完全取决于风扇的工作状态.在不改变散热器结构与其它组成部分的情况下,仅仅是更换更加合适、强劲的风扇,也可以令散热效果获得大幅度的提升;反之,如果风扇搭配不合适或不够强劲,则会使风冷散热器效能大打折扣,令散热片与整体设计上的优点被埋没于无形;更有甚者,由于风扇是风冷散热器中唯一确实“工作”的部分,它本身的故障也就会导致散热器整体的故障,令其丧失大部分的散热性能,进而引起系统的不稳定或当机,甚至因高温而烧毁设备.
风扇可分为:含油轴承、单滚珠轴承、双滚珠轴承、液压轴承、来福轴承、Hypro轴承、磁悬浮轴承、纳米陶瓷轴承等,下面是其性能比较表由表中可以看出,轴承技术对风扇的性能、噪音、寿命起着重要的决定性作用,实际选购风扇时必须加以注意.通常可根据性能、噪音、寿命以及价格四方面要求综合考虑:
  1.性能不高,噪音小,价格低,含油轴承是唯一的选择,但寿命较短,使用一段时间后噪音可能会逐渐增大,需做好维护或更换的心理准备.
  2.性能强悍,寿命长,价格不高,滚珠轴承是不二之选,但需忍受其工作时产生的较大噪音.
  3.性能与噪音都没有特殊要求,但希望寿命长,价格不高,来福、Hypro轴承等含油轴承的改进型均是值得考虑的选择.
  4.性能好,噪音低,寿命长,如此便不能对价格提出进一步的要求了,只要资金充足,液压、精密陶瓷等特色轴承技术都可列入选择范围之内.
  5.对静音与寿命要求极高,磁悬浮轴承是仅有的选择,只是性能不佳,价格过高.
目前,AC/DC系列风扇品牌包括SUNON、ADDA、SANYO、PAPST、NMB和Nidec等.如下图:

9 铝合金型材电子散热器的应用
9.1散热器的热阻模型
  由于散热器是开关电源的重要部件,它的散热效率高与低关系到开关电源的工作性能.散热器通常采用铜或铝,虽然铜的热导率比铝高2倍但其价格比铝高得多,故目前采用铝材料的情况较为普遍.通常来讲,散热器的表面积越大散热效果越好.散热器的热阻模型及等效电路如下图所示:


  半导体结温公式如下式如示:
    Pcmax(Ta)= (Tjmax-Ta)/θj-a (W) -----------------------(1)
    Pcmax(Tc)= (Tjmax-Tc)/θj-c (W) -----------------------(2)

    Pc: 功率管工作时损耗
    Pc(max): 功率管的额定最大损耗
    Tj: 功率管节温
    Tjmax: 功率管最大容许节温
    Ta: 环境温度
    Tc: 预定的工作环境温度
    θs : 绝缘垫热阻抗
    θc : 接触热阻抗(半导体和散热器的接触部分)
    θf : 散热器的热阻抗(散热器与空气)
    θi : 内部热阻抗(PN结接合部与外壳封装)
    θb : 外部热阻抗(外壳封装与空气)
  根据图2热阻等效回路, 全热阻可写为:
    θj-a=θi+[θb *(θs +θc+θf)]/( θb +θs +θc+θf) ----------------(3)
  又因为θb比θs +θc+θf大很多,故可近似为:
    θj-a=θi+θs +θc+θf --------------------------------------------- (4)
  ①PN结与外部封装间的热阻抗(又叫内部热阻抗) θi是由半导体PN结构造、所用材料、外部封装内的填充物直接相关.每种半导体都有自身固有的热阻抗.
  ②接触热阻抗θc是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定.接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式都会对它产生影响.当接触面不平整、不光滑或接触面紧固力不足时就会增大接触热阻抗θc.在半导体和散热器之间涂上硅油可以增大接触面积,排除接触面之间的空气而硅油本身又有良好的导热性,可以大大降低接触热阻抗θc.
9.2散热器热阻抗θf
  散热器热阻抗θf与散热器的表面积、表面处理方式、散热器表面空气的风速、散热器与周围的温度差有关.因此一般都会设法增强散热器的散热效果,主要的方法有增加散热器的表面积、设计合理的散热风道、增强散热器表面的风速.散热器的散热面积设计值如下图所示:                          
  但如果过于追求散热器的表面积而使散热器的叉指过于密集则会影响到空气的对流,热空气不易于流动也会降低散热效果.自然风冷时散热器的叉指间距应适当增大,选择强制风冷则可适当减小叉指间距.如下图所示:

⑤散热器表面积计算:
   S=0.86W/(ΔT*α)
    ΔT: 散热器温度与周围环境温度(Ta)的差(℃)
    α: 热传导系数,是由空气的物理性质及空气流速决定.α由下式决定.
   α=Nu*λ/L ()
    λ:热电导率(Kcal/m2h)空气物理性质
    L:散热器高度(m)
    Nu:空气流速系数.由下式决定.
    Nu=0.664*√[(vl)/v’]*3√pr
    V:动粘性系数(m2/sec),空气物理性质.
    V’:散热器表面的空气流速(m/sec)
    Pr: 系数,见下表

9.3发热元件的布局
  开关电源中主要发热元件有大功率半导体及其散热器,功率变换变压器,大功率电阻.发热元件的布局的基本要求是按发热程度的大小,由小到大排列,发热量越小的器件越要排在开关电源风道风向的上风处,发热量越大的器件要越靠近排气风扇.
  为了提高生产效率,经常将多个功率器件固定在同一个大散热器上,这时应尽量使散热片靠近PCB的边缘放置.但与开关电源的外壳或其它部件至少应留有1CM以上的距离.若在一块电路板中有几块大的散热器则它们之间应平行且与风道的风向平行.在垂直方向上则发热小的器件排在最低层而发热大的器件排在较高处.发热器件在PCB的布局上同时应尽可能远离对温度敏感的元器件,如电解电容等.
散热片的制造材料是影响效能的重要因素,选择时必须加以注意.目前加工散热片所采用的金属材料与常见金属材料的热传导系数:
金317 W/mKAA6061型铝合金155 W/mK
银429 W/mKAA6063型铝合金201 W/mK
铝 237 W/mKADC12型铝合金96 W/mK
铁48 W/mKAA1070型铝合金226 W/mK
铜401 W/mKAA1050型铝合金209 W/mK
材料的导热性能
之一:热传导系数
由于热传导是散热器有效运作的两大方式之一,因此,散热片材料的热传递速度就是其中最关键的技术指标,理论上称作热传导系数.
定义:每单位长度、每度K,可以传送多少瓦数的能量,单位为W/mK.即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文(1K=1℃)时的热传导功率.数值越大,表明该材料的热传递速度越快.
热传导系数自然是越高越好,但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格.热传导系数很高的金、银,由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用;铁则由于热传导率过低,无法满足高热密度场合的性能需要,不适合用于制作计算机空冷散热片.铜的热传导系数同样很高,可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件,在电源相关散热片中使用较少,但近两年随着对散热设备性能要求的提高,越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料.铝作为地壳中含量最高的金属,因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐.但由于纯铝硬度较小,在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金,寄此获得许多纯铝所不具备的特性,而成为了散热片加工材料的理想选择.
之二:比热容

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热传递的速度很重要,但是吸收热量能力低也不利于散热,这里又引入了比热容的概念.
  定义:单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度,单位为卡/(千克×°C),数值越大代表物体容纳热量的能力越大.
材料比热(卡/(千克×°C))
水1000
铁113
铝217
铜93
铅31
银56
根据上表得知,水比热容最高,比金属有更强的热容能力,这也是水冷散热器赖以生存的根本.值得注意的是,铝的比热容不低于铜,这就是为什么纯铜散热器的散热效能并没有大幅超出铝质散热器的原因.
热传导系数与比热值体现的是材料本身的特性.但是一款散热器散热性能的好坏,也要受到自身设计结构的影响.而体现这方面整体性能的参数,就要依靠热阻与风阻两个概念了.同时,散热器的体积与重量也不可忽视.
之三:热阻
  热阻,英文名称为thermal resistance,即物体对热量传导的阻碍效果.热阻的概念与电阻非常类似,单位也与之相仿——℃/W,即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差.以散热器而言,导热路径的两端分别是发热物体(如CPU等)与环境空气.
  散热器热阻=(发热物体温度-环境温度)÷导热功率.
  散热器的热阻显然是越低越好——相同的环境温度与导热功率下,热阻越低,发热物体的温度就越低.但是,决定热阻高低的参数非常多,与散热器所用材料、结构设计都有关系.
  必须注意:上述公式中为“导热功率”,而非“发热功率”.因为无法保证发热物体所产生的热量全部通过散热器一条路径传导、散失,任何与发热物体接触的低温物体(包括空气)都可能成为其散热路径,甚至还可以通过热辐射的方式散失热量.所以,当环境或发热物体温度改变时,即使发热功率不变,由于通过其它途径散失的热量改变,散热器的导热功率也可能发生较大变化.如果以发热功率计算,就会出现散热器在不同环境温度下热阻值不同的现象.
  散热器(不仅限于风冷散热器,还可包括被动空冷散热片、液冷、压缩机等)所标注的热阻值根据测试环境与方法的不同可能存在较大差异,而与用户实际使用中的效果也必然存在一定差异,不可一概而论,应根据具体情况分析.
虽然型材散热器已有了相应的国家标准(GB742312287) ,但其中的自然对流和强迫风冷条件下的热阻关系曲线均为实验数据整理所得, 而在实际应用中影响散热器热阻的因素比较多,实验数据与实际应用有一定误差.如何综合考虑这些因素, 使得在一定工作条件下散热器的热阻最小, 也是工程设计中迫切需要解决的问题.因此, 对散热器进行优化设计也就非常必要.散热器的优化问题属于有约束多变量优化问题,其目标函数是散热器与环境之间的热阻,设计变量是设计者可选择的参数(肋高、肋长、肋厚、肋片数目、肋片形状、肋片材料等) .
风阻
  风冷散热器的散热片需要仰仗风扇的强制导流才可发挥完全的性能,实际通过的有效风量与散热效果关系密切,而散热片会对风量造成影响的指标就是“风阻”了.
  风阻,正如其名,是物体对流过气流的阻碍作用,但却不能如电阻、热阻般用具体数值来衡量.通常,以风量与进/出口压强差绘制出压强-流量曲线(P-Q曲线),这条曲线便是散热器对通过气流的阻碍效果——相同压强差下,风阻越小,风量越大;相同风量下,风阻越大,压强差越大.
  那么风阻是否越小越好呢?如果能保证有效散热面积,当然!可惜,散热片的有效散热面积与风阻往往不能两全,在提高有效散热面积的同时,难免增大风阻,在散热片结构设计过程中就需要进行权衡了.散热片设计一旦确定,风阻(P-Q曲线)也就基本确定下来,我们能够做的,只有为它选配合适的风扇,令其发挥出设计应有性能了.为散热片搭配合适的风扇,需结合散热片阻抗(风阻)曲线与风扇特性曲线进行分析.
目前散热片主要采用Extruded(挤压技术);Skiving(切割技术);Fold FIN(折叶技术);Forge(锻造技术),四种制造技术.顾名思义,切割技术其实就是把一块块的金属,用专用切割机切出散热片来.使用这种切割技术加工的散热片将会很薄和很精密,这样就会有效地增加散热面积.和挤压技术一样,切割技术也很适合铝材,因为铝材的重量和密度上都有着轻便和相对较低的特点,这样的材料就很适合其散热器制造和任意改良散热器.而采用铜材质的散热器切割起来就多一些难度,对技术要求较高.
常见导热材料传导、密度系数表:

散热器的制作材料在很大程度上决定了散热器性能的高低.很多工程师认为使用金、银作为散热器制作材料会大大提升散热效果,但从上表中我们可以看到,热传导系数最高的并不是人们想象的金属元素而是非金属,而且金、银的导热能力可不是十分突出.
在金属单体中,铜的热传导系数与银十分接近,而金的热传导率却要远小于铜,而且金银的价格昂贵,不适合大批量制作散热器.我们常见的散热器经常使用铜、铝.除了其导热能力相对较好,材料成本比较低外,其加工相对容易,方便大批量生产也是一个重要的因素.铜的热传导率约是铝的1.69倍,采用铜制散热器从理论上会比铝制散热器散热效果更好.但是铝的密度比铜低很多,所以一般来说,采用铝为原料制作散热片比较容易加工.
常见材料的热导系数如下:

常见材料的TCE(热膨胀系数)值如下:

各种铝合金材料根据不同的需要,通过调整配方材料的成分与比例,可以获得各种不同的特性,适合于不同的成形、加工方式,应用于不同的领域.列出的5种不同铝合金中:AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性,适合于挤压成形工艺,在散热片加工中被广为采用.ADC12适合于压铸成形,但热传导系数较低,因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替,可惜加工机械性能方面不及ADC12.AA1050则具有较好的延展性,适合于冲压工艺,多用于制造细薄的鳍片.根据已知的"工艺-材料-结构"关系式,应该选用能够提供最大经济效益的材料.6063合金的历史和最新发展表明,它将是散热器功能材料领域上最有力的竞争者.
6063铝合金散热器以热阻特性值为基本判据的电力半导体器件用特殊机械产品,因此作为散热器挤压型材以及合金的潜在性能,具有以下特点:
1)具有较好的可挤压性,以能适应各种形状散热器表面积要求;
2)良好的机加工性能;
3)适宜的力学性能,尤其是机械强度和蠕变的性能以及物理性能;
4)具有吸引力的商品外观,一定的耐蚀性,以及阳极化着色的处理的能力.
铝合金型材散热器从冷却方式上分为自然冷却和强迫风冷.从结构上分为电子元件型、平板晶闸管型、螺栓晶体管型、功率模块型等.散热器表面经电泳涂漆发黑或阳极氧化发黑粉末喷涂处理后,进一步提高产品的耐腐蚀性、耐磨性,其散热量在自然冷却下提高10%~15%,在强迫风冷下提高30%,电泳涂漆后表面可耐压500V~800V.
在元器件布局时,应将发热器件安放在下风位置或在印制板的上部,散热器采用氧化发黑工艺处理,以提高辐射率.散热片的吸热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底设计.而黑色有很好的吸热性能.另外喷涂三防漆后会影响散热效果,需要适当加大裕量.散热器安装器件的平面要求光滑平整,一般在接触面涂上硅脂以提高导热率.一般散热器厂商提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线,据此设计人员可以根据计算出的热阻求出所需散热器的表面积、长度、重量.
常见的导热油脂包括两种:人工合成的无硅散热油脂和含硅的散热油脂;常见的散热片如下图:

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为解决特殊的电子冷却问题选择和设计合适的散热器是十分关键的一步.散热器的性能与很多参数有关,比如:散热器周围空气的温度和流速;其他通过器件和电路板的热传导途径的强度;散热器和所贴附器件之间的接触热阻;从散热器到一个冷表面的热辐射路径,等等.在某一应用中工作良好的散热器换一种情况可能就不起作用了.散热器还会对电磁场产生影响(尤其是在没有接地的时候影响更显著).附录的应用案例和技术文档详细阐述了Flomerics软件是如何对许多不同情况分析和优化散热器性能的.
10 高频变压器和电抗器的热设计
根据电路拓扑和输入、输出参数就可以计算出电磁元件的设计参数.磁元件的损耗是线圈设计的出发点之一.图6-16 是一个变压器铜损耗和磁芯损耗定性关系图.在给定绝缘等级和应用环境条件(温升)下,选取较高的ΔB 值,可以减少匝数,但磁芯损耗Pc 增加;线圈匝数减少,导线电阻减少,线圈损耗PW 下降;反之,Pc 增加,而PW 减少.变压器的总损耗P 是两者之和.在某一个匝数N(B)下有一个最小值,即当PW =PC 时变压器损耗最小,体积也最小.实际上,完全达到最优是困难的,但在图6-16 虚线包围的范围内已相当满意了.
IEC规定绝缘材料7 个耐温等级如表6-2 所示.
表6-2 IEC 绝缘等级极限温度
绝缘等级YAEBFHC
工作温度℃90105120130155180>180
根据采用的绝缘等级和环境温度Ta,就可以决定线圈的允许温升
ΔT=Tmax-Ta (6-14)
式中Tmax-绝缘等级一般允许的最高温度.例如实际A 级绝缘允许最高工作温度为90℃,这是平均温度,最高温度有可能达到等级极限温度.
Ta-环境温度(℃),应当是工作环境温度.
如果磁芯材料采用非晶合金或磁粉芯,居里温度一般在250℃以上,磁特性的温度稳定性好,采用B 级以上绝缘.铁氧体居里点一般在250℃以下,同时损耗曲线大约在100℃以上是正温度系数,即温度增加,损耗增加.一般磁芯平均温度控制在100℃以下,变压器热点温度不应当超过120℃,与其相应的绝缘一般采用E 级绝缘,最高工作温度100℃左右.如果磁芯损耗与线圈损耗相等,自然冷却时温升40℃,磁芯比损耗为100mW/cm3.
磁元件线圈的温升是线圈总损耗和它表面散热能力的综合结果.热阻有两个主要部分:热源(磁芯和线圈)和变压器表面之间的内热阻Ri,以及由变压器表面到外部环境的外热阻Rth.
内热阻主要取决于线圈物理结构.因为热源在整个变压器是分布的,很难定量决定.又因最高温度的“热点”,实际上产生很小的热量.Ri与由表面到内热点无关,是一个平均值.磁芯产生热的大部分(非环形)靠近变压器内表面.在线圈内产生的热分布在表面到内磁芯之间.虽然铜的热阻很低,但绝缘和空隙提高了线圈内的热阻.这些参数常常由经验决定.通常内热阻Ri远小于外热阻Rth(除强迫通风外).
外热阻Rth主要由通过变压器表面气流-自然对流还是强迫通风决定.自然冷却时Rth很大程度上取决于变压器表面积以及如何安装,和它周围空气流有否障碍.变压器安装在水平表面上,并且全部元件围绕它,或者安装在相当小的容器内,Rth要比安装在垂直表面而有利于“烟囱效应”大得多.对于强迫冷却,Rth可降低到很小数值,这取决于气流速度.此时内热阻Ri成为主要因素.强迫空气冷却,热阻与温升通常无关.在决定整机效率后,整机损耗也就决定了.根据整机分配到磁元件的损耗称为绝对损耗.因此整机效率是绝对损耗的决定因素.而温升是平均温升,也并非磁芯最热点温度与表面温度之差.
根据“热路”欧姆定律,温升和损耗的关系为:
△T=Rth×P
式中Rth-热阻(W/℃).
虽然有不少文献介绍电磁元件的温升估算方法,但是尚无简单而精确的分析方法.精确计算可用有限元计算机分析.通常应用磁性元件热阻与表面辐射和自然对流散热经验关系计算温升,精度可在10℃以内.热阻的经验公式为
Rth=295A-0.7×P-0.15
线圈温升为
△T=Rth×P=295A-0.7×P0.85
式中P-磁元件总的损耗功率(W);
A-磁元件的计算表面积(cm2).
可见,热阻不仅与辐射表面有关,而且还与磁元件的耗散功率有关.有些磁芯生产厂列出不同规格磁芯的热阻Rth.通常中心柱上最热点比表面温度大约高10~15℃.表面与周围空气较大的温度差使得表面更容易散热,即热阻更低.
例4 E55 型磁芯,材料为3F3 工作频率为200kHz、磁感应B 为0.08T.铜损耗为3W.散热表面为106.5cm2.求线圈温升.
解:由磁芯材料3F3 在100℃时单位损耗与磁感应关系中,查得0.08T 时单位体积损耗为80mW/cm3.从E55 规格表中查的有效体积为43.5cm3.因此磁芯损耗为
PW=0.08×43.5=3.48W
总损耗
P=Pc+Pw=3.48+3=6.48W
根据式(6-17)得到
△T=295A-7×P0.85=295×106.5-0.7×6.480.85=55℃
在设计开关电源开始时,根据输出功率,输出电压和输出电压调节范围、输入电压、环境条件等因素,设计者凭经验或参照同类样机,给出一个可能达到的效率,由此得到总损耗值.再将总损耗分配到各损耗部件,得到变压器的允许损耗.变压器损耗使得线圈和磁芯温度提高,线圈中心靠近磁芯表面温度最高,此最大“热点” 限制了变压器的温升.根据式(6-15),温升ΔT(℃)等于变压器热阻Rth(℃/ W)乘以功率损耗P(W):
△T=Rth×P
在一般工业产品中,民用环境温度最高为40℃.变压器内部最高温度受磁芯和绝缘材料限制,如果采用铁氧体与A或E级绝缘,变压器温升一般定为40~50℃温升.其内部热点温度为100℃.如果温升过高,应当采用较大尺寸的磁芯.如果要求较小的体积,应当采用合金磁芯和高绝缘等级的绝缘材料,允许较高温升,但使效率降低.
变压器损耗分为磁芯损耗和线圈损耗,很难精确预计.磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗.线圈损耗包括直流损耗和高频损耗.引起变压器温升主要是稳态损耗,而不是瞬态损耗.
1) 磁芯损耗
a 磁芯磁滞损耗与频率和磁通摆幅有关.在所有Ⅱ类和Ⅲ类磁芯工作状态(正激和推挽类拓扑)中,Uo=DUi/n(n=N1/N2-变压器变比).当工作频率固定,伏秒积即磁通变化量是常数,所以磁滞损耗是常数,与Ui和负载电流无关.
b 磁芯涡流损耗实际上即磁芯材料的电阻损耗-I2R.涡流大小正比于磁通变化率,即与变压器伏/匝成正比.因此,如Ui加大一倍,涡流增加一倍,峰值损耗I2R增加4倍;如保持输出稳定,占空度下降一半,则平均损耗I2R增加一倍.可见磁芯涡流损耗正比于Ui,最坏情况是最高电压.磁芯涡流损耗还与磁芯结构有关,如果磁芯由相互绝缘的叠片或几块较小的截面组成,涡流比整体小.
2) 线圈损耗
低频线圈损耗是容易计算的.但高频线圈涡流很难精确确定,因为开关电流矩形波包含高次谐波.在正激或推挽类拓扑中,如果斜坡分量是斜坡中心值的1/5时,次级峰值电流可近似等于负载电流,而峰值初级电流等于负载电流除以匝比:
I2p =Io
I1p =I2p /n
峰值电流与Ui无关.而在峰值电流为常数时(负载不变),有效值电流的平方,即线圈损耗(I2R损耗)正比于占空度D,反比于Ui.(对于峰值电流不变,高次谐波主要由开关瞬态引起的,D无明显变化).线圈损耗在低Ui时总是最大.
变压器和电抗器可以放置在风道中,以加强散热.但最主要的还是设法降低其散热量,通过合理选择铁心材料和设计绕组,可以最大限度地降低其损耗,从而减少发热.
在机箱结构设计时散热问题是考虑最多的问题,需要考虑主要发热元件的摆放位置、风道的设计、冷却元器件的分离等,就目前的资料来看,各有优缺点,很难确定一个最佳方案.

11 高频功率开关器件和二极管的热设计
开关器件的发热量占整机的50%~80%,因此是热设计的重点.由于半导体在较高的温度条件下会变成导体,从而失去电压阻断能力,因此器件工作中管芯的结温不能超过允许值,这一上限同管芯材料和工艺有关.对于目前普遍采用的硅材料制造的各种高频开关器件,如IGBT、MOSFET和GTR而言,其结温上限为125~175℃.器件工作中都会产生损耗,以热的形式通过器件的壳体散发到环境中,传热过程中结-壳间会形成温差.
从设计的角度,可以简化为管芯-管壳、管壳-散热器和散热器-环境等相串联的多个传热过程.如图所示:

热阻、温差和发热功率间的关系为

热设计的目的就是在温差和发热功率基本确定的条件下,选择合适的热阻使工作时管芯的温度低于最大允许的结温.选取原则包括选取电流容量大的器件,它具有较小的热阻;采用器件并联可以成倍的降低热阻.
进行功率器件及功率模块散热计算的目的,就是在确定的散热条件下选择合适的散热器,以保证器件或模块安全、可靠地工作.散热器的设计必须顾及使用环境、条件,以及元件允许的工作温度等多种参数.但是对散热器的传热分析目前国内外都还研究得很不够,工程应用中的设计大多是凭经验选取,并作相应的核校计算.
电力电子设备中的功率器件在工作时其自身也会消耗一定的电能,把单位时间内功率器件所消耗的电能称作为器件的功率损耗.器件的功率消耗将导致其结温升高从而产生了散热冷却的要求;而散热器在单位时间内所散发出的热能量叫耗散功率.在设备正常稳定工作时,器件的功率损耗和散热器的耗散功率将达到平衡,器件的温度也不会继续升高,即系统达到了热平衡状态.
在系统的热设计中就正是根据能达到热平衡状态时的功率参数来确定散热器应当具备的相关参数,因此在设计过程中一般先根据相关数据手册和实际电路工作参数来计算出功率器件的功率损耗,然后以此作为依据计算散热器相关参数.
而功率器件的功率损耗一般包括器件的通态损耗、开关损耗、断态漏电流损耗及驱动损耗几个部分.
功率器件开关损耗包括了开通损耗和关断损耗,开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化,因此产生较大的损耗,而且开关损耗的大小在很多情况下占有了器件总的功率损耗的相当大比重,甚至是主要部分,尤其是当器件处于高频工作情形下.
功率器件的开关损耗与负载的特性有关,一般简化为感性负载和阻性负载两种情况来计算开关损耗.
功率器件的驱动损耗
功率器件在开关过程中消耗在驱动控制板上的功率以及在导通状态时维持一定的栅极电压、电流所消耗的功率称为开关器件的驱动损耗.一般情况下,这部分的功率损耗与器件的其他部分损耗相比可以忽略不计,但对于GTO、GTR等通态电流比较大的功率器件则需要特殊考虑.
根据变压器二次侧整流二极管的平均电流可以估算其通态损耗为
PDon=IDmax×UD
式中UD取二极管在流过峰值电流时的通态压降.
二极管的开关损耗可以按下式估算:
PDS=(eon+eoff)fs
式中eon和eoff 为每次开通和关断耗散的开关能量;fs为电路的开关频率.根据经验,按通态损耗的1.5~2倍估算.
根据二极管的损耗功率和器件的结温上限以及环境温度的上限,可以计算出允许的散热热阻的上限为
RthJ-C+ RthC-A≦(TJM-TAM)/(PDon+PDS)
式中RthJ-C为二极管的结壳热阻;RthC-A为散热器的热阻;TJM为二极管允许的最高结温;TAM为技术要求中环境温度的上限.
二极管的结壳热阻加散热器的热阻不能超过上式给出的上限,这是选取二极管及其散热器的依据.
根据变压器一次侧开关器件的平均电流可以估算其通态损耗为
PSon=ISmax×US
式中US取开关器件在流过峰值电流时的通态压降.对于MOSFET等单极型器件,应采用其通态电阻和流过其沟道的电流有效值计算通态损耗,对于IGBT、GTR等双极型器件,应采用其饱和压降乘以通态平均电流计算通态损耗.
开关器件的开关损耗可以按下式估算:
PSS=(eon+eoff)fs
式中eon和eoff 为每次开通和关断耗散的开关能量;fs为电路的开关频率.根据经验,按通态损耗的1~1.5倍估算.
根据开关器件的损耗功率和器件的结温上限以及环境温度的上限,可以计算出允许的散热热阻的上限为
RthJ-C+ RthC-A≦(TJM-TAM)/(PSon+PSS)
式中RthJ-C为开关器件的结壳热阻;RthC-A为散热器的热阻;TJM为开关器件允许的最高结温;TAM为技术要求中环境温度的上限.
开关器件的结壳热阻加散热器的热阻不能超过上式给出的上限,这是选取开关器件及其散热器的依据.详见杨旭等著,开关电源技术相关部分内容.
如MOSFET IRFP22N50A热特性:

如IGBT IRG4PC50F热特性:

如输出整流双二极管FFA15U40DN热特性:

如输出整流双二极管BYV255V热特性:
        
功率器件热设计
由于半导体器件所产生的热量在开关电源中占主导地位,其热量主要来源于半导体器件的开通、关断及导通损耗.从电路拓扑方式上来讲,采用零开关变换拓扑方式产生谐振使电路中的电压或电流在过零时开通或关断可最大限度地减少开关损耗但也无法彻底消除开关管的损耗故利用散热器是常用及主要的方法.
功率器件热设计是要防止器件出现过热或温度交变引起的热失效,可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计.其主要关系如图所示.
对于一般的功率器件,在生产工艺阶段,就要充分考虑器件内部、封装和管壳的热设计,当功率器件功耗较大时,依靠器件本身的散热(芯片、封装及管壳的热设计)并不能够满足散热要求.功率器件结温可能会超出安全结温,此时需要安装合适的散热器,通过散热器有效散热,保证器件结温在安全结温之内且能长期正常可靠的工作.
合理选取散热器
功率器件使用散热器是要控制功率器件的温度,尤其是结温Tj,使其低于功率器件正常工作的安全结温,从而提高功率器件的可靠性.功率器件散热器随着功率器件的发展,得到了飞速发展,常规散热器趋向标准化、系列化、通用化,而新产品则向低热阻、多功能、体积小、重量轻、适用于自动化生产与安装等方向发展.合理地选用、设计散热器,能有效降低功率器件的结温,提高功率器件的可靠性.
各种功率器件的内热阻不同,安装散热器时由于接触面和安装力矩的不同,会导致功率器件与散热器之间的接触热阻不同.选择散热器的主要依据是散热器热阻RTf.在不同的环境条件下,功率器件的散热情况也不同.因此选择合适散热器还要考虑环境因素、散热器与功率器件的匹配情况以及整个电子设备的大小、重量等因素.
功率器件热设计和散热器优化设计
功率器件热设计和散热器优化设计方案示于图2.首先根据功率器件正常工作时的性能参数和环境参数,如环境温度、器件功耗和结温等,计算功率器件结温是否工作在安全结温之内,判断是否需要安装散热器进行散热,如功率器件需安装散热器进行散热,计算相应的散热器热阻,初选一散热器;重新计算功率器件结温,判断功率器件结温是否在安全结温之内,所选散热器是否满足要求;对于符合要求的散热器,应根据实际工程需要进行优化设计.

12 模块电源的热设计
目前国内市场使用模块电源的国外模块主要供应商为VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON以及POWER-ONE,国产模块主要的供应商有中兴、新雷能、迪赛、24所等.为实现高功率密度,在电路上,早期采用准谐振和多谐振技术,但这一技术器件应力高,且为调频控制,不利于磁性器件的优化.后来这一技术发展为高频软开关和同步整流.由于采用零电压和零电流开关,大大降低了器件的开关损耗,同时由于器件的发展,使模块的开关频率大为提高,一般PWM可达500kHz以上.大大降低了磁性器件的体积,提高了功率密度.
模块电源工艺发展方向如下:
1)降低热阻,改善散热
为改善散热和提高功率密度,中大功率模块电源大都采用多块印制板叠合封装技术,控制电路采用普通印制板置于顶层,而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层.早期的中大功率模块电源采用陶瓷基板改善散热,这种技术为适应大功率的需要,发展成为直接键合铜技术(Direct Copper Bond,DCB),但因为陶瓷基板易碎,在基板上安装散热器困难,功率等级不能做得很大.后来这一技术发展为用绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate,IMS)直接蚀刻线路.最为常见的基板为铝基板,它在铝散热板上直接敷绝缘聚合物,再在聚合物上敷铜,经蚀刻后,功率器件直接焊接在铜上.为了避免直接在IMS上贴片造成热失配,还可以直接采用铝板作为衬底,控制电路和功率器件分别焊于多层(大于四层,做变压器绕阻)FR-4印制板上,然后把焊有功率器件的一面通过导热胶粘接在已成型的铝板上固定封装.不少模块电源为了更利于导热、防潮、抗震,进行了压缩密封.最常用的密封材料是硅树脂,但也有采用聚氨酯橡胶或环氧树脂材料.后两种方式绝缘性能好,机械强度高,导热性能好,成为近年来模块电源的发展趋势之一,是提高模块功率密度的关键技术.
2)二次集成和封装技术
为提高功率密度,近年开发的模块电源无一例外采用表面贴装技术.由于模块电源的发热量严重,采用表面贴装技术一定要注意贴片器件和基板之间的热匹配,为了简化这些问题,最近出现了MLP(Multilayer Polymer)片状电容,它的温度膨胀系数和铜、环氧树脂填充剂以及FR4 PCB板都很接近,不易出现象钽电容和磁片电容那样因温度变化过快而引起电容失效的问题.另外为进一步减小体积,二次集成技术发展也很快,它是直接购置裸芯片,经组装成功能模块后封装,焊接于印制板上,然后键合.这一方式功率密度更高,寄生参数更小,因为采用相同材料的基片,不同器件的热匹配更好,提高了模块电源的抗冷热冲击能力.李泽元教授领导的CPES在工艺上正在研究IPEM(IntegratedPower Electronics Module),它是一种三维的封装结构,主要针对功率电路,取代线键合技术.
3)扁平变压器和磁集成技术
磁性元件往往是电源中体积最大、最高的器件,减小磁性元件的体积就提高了功率密度.在中大功率模块电源中,为满足标准高度的要求,大部分的专业生产厂家自己定做磁芯.而现有的磁性供应商只有飞利浦可以提供通用的扁平磁芯,且这种变压器的绕组制作也存在一定难度.采用这种磁芯可以进一步减小体积,缩短引线长度,减小寄生参数.CPES一直在研究一种磁集成技术,福州大学的陈为教授3年前在CPES研究了磁集成技术,他们做的一个样机是半桥电路,输出整流采用倍流整流技术,而且输出端的两个电感跟主变压器集成在一个铁芯里,最后达到的功率密度为300W/in3.倍流整流技术适用于输出电流大,对di/dt要求高的场合,比如在实现VRM的电路中就常常用这种整流电路.
12.1 散热考虑
所有的功率转换产品在运转时,由于内部功率消耗都将产生一些热量.在每一应用中都有必要限制这种“自身发热”,使模块外壳温度不超过指定的最大值.在下面介绍了DC-DC转换器外壳升温的大概过程.
1)可用的功率密度
绝大多数DC-DC转换器生产商都以产品的功率密度作为水准,来衡量产品的有效性.功率密度通常由瓦/立方英寸(W/in3)来表示.了解功率密度定义的条件是非常重要的.

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T = P*  (热模型)
TJ = PD * ( JC +  CA) + TA
在使用散热器的情况下,散热器与周围空气之间的热释放的"阻力"称为热阻,散热器与空气之间"热流"的大小用芯片的功耗来代表,这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在,在散热器和空气之间就产生了一定的温差,就像电流流过电阻会产生电压降一样.同样,散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻.热阻的单位为℃/W.选择散热器时,除了机械尺寸的考虑之外,最重要的参数就是散热器的热阻.热阻越小,散热器的散热能力越强.
从热力学的角度来看,物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在时,就必然发生热从高温处传递到低温处,这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象.而热传递的方式有三种:辐射、对流、传导,其中以热传导为最快.我们要讨论的风冷散热,实际上就是强制对流散热.
对流换热是指流体与其相接触的固体表面或流体,而这具有不同温度时所发生的热量转移过程.热源将热量以热传导方式传至导热导热介质,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.风扇不断向散热片吹入冷空气,流出热空气,完成热的散热过程.
对流换热即受导热规律的支配,又受流体流动规律的支配,属于一种复杂的传热过程,表现在对流换热的影响因素比较多.
1)按流体产生流动的原因不同,可分为自然对流和强制对流.
2)按流动性质来区分,有层流和紊流之别.流体从层流过渡到紊流是由于流动失去稳定性的结果.一般以雷诺数(Re)的大小,作为层流或紊流的判断依据.
3)流体的物性对对流换热的影响.例如,粘度、密度、导热系数、比热、导温系数等等,它们随流体不同而不同,随温度变化而变化,从而改变对流换热的效果.
4)换热表面的几何条件对对流换热的影响.其中包括:
a管道中的进口、出口段的长度,形状以及流道本身的长度等;
b物体表面的几何形状,尺寸大小等;
c物体表面,如管道壁面、平板表面等的粗糙程度;
d物体表面的位置(平放、侧放、垂直放置等)以及流动空间的大小.
5)流体物态改变的影响.
6)换热面的边界条件,如恒热流、恒壁温等,也会影响对流换热.
7)风量和温度的关系
T=Ta+1.76P/Q
式中
Ta-环境温度,℃
P-整机功率,W
Q-风扇的风量,CFM
T-机箱内的温度,℃
举一个电路设计中热阻的计算的例子:
设计要求:芯片功耗:20瓦,芯片表面不能超过的最高温度:85℃,环境温度(最高):55℃计算所需散热器的热阻.
实际散热器与芯片之间的热阻很小,取0.1℃/W作为近似.
则 (R+0.1)×20W=85℃-55℃
得到 R=1.4℃/W
只有当选择的散热器的热阻小于1.4℃/W时才能保证芯片表面温度不会超过85℃.
使用风扇能带走散热器表面大量的热量,降低散热器与空气的温差,使散热器与空气之间的热阻减小.因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示.如下例:
风速(英尺/秒)热阻(℃/W)
03.5
1002.8
2002.3
3002.0
4001.8
功率元件的散热方式是关键.开关电源一般采用空气冷却或者水冷.在功率较小时,采用空气冷却就能够满足要求.在功率较大时,则需要在散热器中通水,利用水流带走热量,因为散热器一般都有不同的电位,所以必须采用绝缘强度较好的水,一般采用纯净水,它比普通蒸馏水的离子含量还要低.在水路的循环系统中,一般还要加离子树脂交换器,因为散热器上的金属离子会不断的溶解到水中,这些离子需要被吸附清除.
应该说,从散热的角度来说,水冷是非常理想的.但是,水循环系统工艺要求高,安装复杂,维护工作量大,而且一旦漏水,会带来安全隐患.所以,能够用空气冷却解决问题的场合,就不要采用水冷.
空气冷却能够从设备中带出来的热量,与有效散热面积的大小有关系,散热面积越大,能够带走的热量就越多.元器件的数目越多,散热的面积就越大,空气冷却的效果就越好.
电力电子元件的热量按照如下方式传导:沿散热器表面散开,再沿表面传递到散热片上,被空气带走.沿散热器表面散开的面积是非常有限的,离开元件较远处,已经基本感受不到热量,所以把散热器表面做大到一定程度,对散热效果的增加已经没有意义.对于散热器的齿片也是一样,齿根处温度较高,齿尖处只有很少的热量到达,所以增高齿片到一定程度,对散热也毫无用处.
所以,要解决大功率产品的空气冷却问题,唯一有效的办法是,利用很多的元器件,均摊热量,增大有效的散热面积.
当然,采用功耗较小的新一代元器件,或者采用热阻较小的新式散热器,也可以使空气冷却的电源功率更大.
关于电源散热的另外一个问题是,把热量从电源内部带出来以后,如何耗散在大气中.对于水冷装置,需要在室外安装一个水-空冷装置,把热水变成凉水.对于空气冷却的装置,如果散热量较大,需要安装风道,把热空气直接排出室外,否则,热空气会在室内聚集,造成室温升高.以前有的用户考虑用室内空调机降温,事实证明在大功率电源应用中,需要较大的空调配置,是不经济的.
降低热阻,提高对流换热的途径主要有:加大散热器尺寸或者增加散热片数量以加大散热面积 ;采用更大尺寸或拥有更强风力的风机增大空气流速以增大 ;引入紊流以增强局部对流来增大 等.通常情况下,选用散热面积较大的型材散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境介质的热阻,但散热面积的增加和风机风量的提高均受装置体积、重量以及噪音指标等限制.由于电力电子器件的小型化和轻量化的发展趋势,在散热器和风机参数一定的条件下,通过合理的风道设计,在散热器表面流场引入紊流是改善散热的又一有效途径.
合理的风道设计一般要求引导风扇气流冲击散热器表面,适当的改变气流在散热器表面的流动方向以在散热器附近流场中形成大的扰动,从而形成广泛的紊流区,加强散热效果,如在散热器前端加入扰流片等办法;同时不应使气流压头损失过大,流速下降过多,以免降低散热效果.事实上这两方面往往存在矛盾,所以应综合权衡,尽量最优.
风扇出风口与散热器间的距离对模块散热的影响研究
在强迫吹风冷却情形下,由于风扇旋涡swirl存在,散热器与风扇间的距离对其流场均匀度影响较大,理论上,当散热器与风扇间的距离足够大时,风扇旋涡swirl对流场的影响较小,然而在产品设计中,由于体积的限制,不可能允许散热器与风扇间的距离太大,换句话说,风扇旋涡swirl对散热的影响是一定存在的,利用FLOTHERM热仿真分析软件,通过合理控制热设计冗余,力求得出一个较合理的风扇与散热器的距离.
在实际应用中,受到产品本身结构布置、外形尺寸等相关因素的限制,冷却风扇与散热器间的距离不可能得到任意满足.那么,如何合理、经济地确定风扇与散热器间距离的大小,如何平衡诸多因素间的矛盾呢?我们必须从引起该结果差异的原因中进行分析,找出一个折衷的方法来较为合理、经济地确定该距离的大小.
仔细分析造成流场不均匀的原因,其关键的因素就是:一方面,由于实际风扇中HUB的存在,使冷却风从风扇环形的截面吹出,从而在风扇HUB的下游区域形成不均匀地流场分布;另一方面,轴流风扇的工作原理迫使流经该风扇出口截面的流体,呈旋转状态流向下游.实际上,在保证流体流出风扇后一定距离的情况下,这种旋转效果是能够促进流体间的混合,从而形成一个比较均匀的流场分布,当风扇距散热器为一个风扇的HUB直径时,由于HUB存在而导致的不均匀流场可以得到较大程度上的改善,虽然流场分布还是存在一定程度上的不均匀,但是表现在散热器上功率元器件的壳温,却没有显著的变化,从而形成这一渐近的变化趋势曲线.由此我们可以得出以下结论:
a 风扇强迫吹风冷却时,在冷却风扇出口下游处,造成流场不均匀的主要因素主要是风扇HUB的存在,其次才是流体流经轴流风扇后的旋转效应.
b 该结构设计上,为了能够获得散热器的最大散热能力,我们必须要保证冷却风扇出口截面与散热器间的距离至少大于一个风扇HUB的直径.但是,一旦该距离超过一个风扇的外形直径后,对下游流场均匀程度的贡献已经微乎其为,可以不用考虑该因素造成影响散热器散热能力这一因素.
c 如果在结构设计上,无法保证冷却风扇出口截面与散热器间的距离至少大于一个风扇HUB的直径,则必须要求在风扇与散热器间安装整流栅.
在电力电子行业中,由于存在着大量的功率元器件,因此强迫风冷冷却在该行业得到广泛的应用.由于该行业产品自身的特点及其主要的应用环境,电源模块或系统在选用强迫冷却这种散热方式时,轴流风扇得到广泛的应用.由于轴流风扇的工作原理是通过电机工作,带动与其相连的叶片使叶片以电机给定的转速进行旋转,从而在叶片的前后产生一定的压差,驱动叶片周围的空气沿电机轴这一固定的方向进行运动.因此,轴流风扇具有压头底、流量大等特点.通常人们在选用轴流风扇时,也仅仅考虑了上述的几个特点,忽约了轴流风扇叶片旋转而给被迫产生流动的空气造成的一系列影响.实际上,通过轴流风扇的流体并不完全是沿电机轴这一单方向进行运动的,在与电机轴垂直的风扇叶片截面上也有一速度运动分量.因此,通过轴流风扇驱动的流体实际上是以电机轴为轴线,向前旋转运动着的流动流体.在轴流风扇出口处,流体的实际流动方向如下图所示:

图1、风扇出口处流体的实际流动方向
如前所述,通过轴流风扇出口处的流体实际上是沿轴心旋转向前流动的流体,那么风扇的实际旋转方向对其后的流场(电源内部的被冷却区域)有什么影响呢?
总结风扇供应商所提供的相关数据,我们可以得到如下简单的确定风扇旋转方向对流场影响的方法:按照左手旋转原则,大拇指的方向为流体的宏观流向,其余四指的弯曲方向为风扇出口处流场的旋转方向.在功率元器件的布局时,按照左手螺旋原则,只要我们把关键元器件布置在四弯曲拇指的方向,就能完全避免因风扇旋转方向而造成元器件散热的不利影响.
当然了,以上的分析只适用于采用轴流风扇进行强迫吹风冷却的场合.对于抽风冷却情形,由于风扇出风口流场的变化对其进风口没有什么影响,因此风扇旋转方向对模块内部的散热是没有影响的.
举例:单相输入有功率因数校正3000W开关电源的散热设计
良好的散热方式可有效的减小整机体积,达到合理的功率密度,根据本项目要求散热主要采用强迫风冷方式.在强迫风冷的条件下,电源装置的温升与单位时间内流经电源装置的风量关系重大,因些应该使电源结构有通畅的风道,减小静压损失,其次,应该尽可能使发热量高的部件靠近风流最快的区域,增强热交换率,例如热沉、变压器、开关管等应当优先考虑,最后,还应考虑结构对风扇的影响,进气口应尽可能宽畅,出气口也应减少障碍物,否则可能会改变正常的风扇风流方向及大小,影响风道的作用.
经过详细认真的分析研究,本电源采用下面的整体布局,主板、升压电感、主变压器、输出滤波电感均固定在一整体散热器上,升压电感、主变压器、输出滤波电感成一排固定在散热器上半部,主板固定在散热器下半部:主板上的功率器件如功率开关管、输出整流管通过钢板压条固定在散热器上,主板上半部放置低元器件、下半部放置高元器件,风扇放置在散热器前中上位置并固定在前面板上,采用前进风后出风方式.通过以上设计使电源有一良好风道并使主要发热元件均在高风速范围内,达到了很好的散热效果,明显提高了电源可靠性.

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