開關電源功率器件熱設計
開關電源發(fā)展到今天，從以前的線性電源，相控電源組建發(fā)展到現在的開關電源，它伴隨著頻率的提高，效率的增加，功率密度的提高，特別是開關電源逐漸要求小型化的今天，對開關電源的熱分析的要求越來越高。
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。而高頻開關電源這一類擁有大功率發(fā)熱器件的設備，特別是功率器件更是開關電源發(fā)熱中的重中之重的器件，因此功率器件的熱設計愈加成為開關電源產品設計的關鍵一環(huán)，熱設計的效果也直接關系到開關電源能否長期正常、穩(wěn)定地工作。熱設計是開關電源設備結構設計中不可忽略的一個環(huán)節(jié)，直接決定了產品的成功與否，良好的熱設計是保證設備運行穩(wěn)定可靠的基礎。
熱設計一般都伴隨著開關電源的初步設計開始，而一個好的熱設計[2]，首先就得對它的功率器件發(fā)熱量級功耗有一個好的預估，這樣就對開關電源的可靠性就有一個良好的保證。
1、開關電源功率器件熱設計流程
在開關電源功率器件的熱設計中，要有一個好的熱設計流程作為指導，這樣才能做到工作的有序化和有條不紊。圖1為功率器件熱設計流程圖
圖1 功率器件熱設計流程圖
2、功耗分析
下面我們以反激式開關電源威力對開關電源功率器件的熱設計進行研究，圖2為反激式開關電源得主電路拓撲圖
圖2 反激式開關電源主電路拓撲圖
（1）開關管的功耗
我們知道，開關管的工作過程[1]分為四個階段即開通階段、關斷階段、導通階段、截止階段。圖3是開關管工作過程時的電壓電流波形。設各個階段時間依次為tr,tf,ton,toff,在圖中采取了分段折線處理，實際的電壓電流波形比這復雜。計算開關管的功耗可以將這四個階段功耗加起來極為開關管在一個周期的功耗總和。在開關管截止期間，集電極電壓
（
為一次整流濾波后的直流電壓），集電極電流
（
為集電極漏電流）。開關管導通后，集電極電流從IC1增大到IC2，集電極電壓
（
為飽和壓降）。
圖3 開關管在一個開關周期內電壓電流波形圖
在開關管由截止轉為導通的電壓上升期間，或是由導通轉為截止的電壓下降期間，開關管的電流并不是立即下降到
或上升到
，而是以某一斜率逐漸下降或上升，這樣就會產生開關管的開通損耗與關斷損耗，由圖3的近似波形可知在開關管電壓上升過程中起電壓和電流分別為：
下降期間其電壓和電流分別為
開關管在開通階段的損耗為
開關管在關斷階段的損耗為
實際上，目前大功率開關管生產工藝已較成熟，即使在晶體管[3]表面溫度達到100℃時，
約1-3V，約0.5-1Ma，而
，一般
為220V交流電直接整流濾波后的直流電壓，其值為300V左右，而
約為數百毫安至數安培，考慮到
從而有：
開關管在導通階段的損耗為
開關管在截止期間的損耗為
一周期內開關管的平均損耗為
當脈沖變壓器電感量L足夠大時，開關管導通期間集電極電流變化不大，
，可得：
通常在實際的電路中，
在開關電源參數設計階段都可以確定，
是由實際的開關管性能決定的。
（2）整流二極管的功耗
整流二極管的功率損耗主要分為正向導通功率損耗和反向負壓時的功率損耗，圖4為二極管工作時的電壓和電流波形圖。
圖4 二極管在一個開關周期內電壓電流波形圖
正向導通損耗功率為：
其中正向導通電流ID較大，但正向導通壓降VD約為0.6～0.7V，tD為正向導通時間。
當二次整流二極管上的電壓由正變負時，由于二極管內少數載流子的存儲效應，二極管中的電流不會立即變?yōu)榱?，而是存在一個反向截止時間 ，同圖4可近似得到此時二極管的功率損耗為：
在一個周期內的平均熱功率
通常在實際的電路中，
在開關電源參數設計階段都可以確定，
是由二極管性能決定的，可用專門的儀器進行測量。
3、散熱器及冷卻方式的選取
設功率器件工作環(huán)境溫度最高為Ta，功率器件最大允許結溫為
，功率器件內部熱阻
(PN結接部與外殼封裝)，確定絕緣墊熱阻抗
（減小接觸熱阻[2]可以采取的措施有：加大接觸面之間的壓力，提高接觸面的加工精度， 接觸表面之間加導熱襯墊，一般而言在接觸面涂敷硅脂可使接觸熱阻降低（20～50）%），確定接觸熱阻
（它可以通過功率器件外殼類型與功率器件與散熱器的安裝條件（比如是否加墊片，是否涂硅脂，采用何種材料墊片等），查閱相關手冊也可得到相應的接觸熱阻值），則散熱阻抗
這就可根據在具體開關電源中可以使用的散熱器的體積來決定是選用體積大，熱阻小的散熱器還是選用體積小，熱阻稍大然后再加上風冷等冷卻方式來使散熱器的熱阻減小，我們知道，散熱器熱阻抗與散熱器的表面積、表面處理方式、散熱器表面空氣的風速、散熱器與周圍的溫度差有關。
在選用散熱器時應把握以下幾個原則：
?。?）肋片長度適當增加能減小器件結溫，但過分增加肋片長度不能確保熱量傳導到散熱器肋片的末端，因此傳熱受到影響，不能大大降低結溫，反而使散熱器重量增加太多。一般認為散熱器的肋片長度和基座寬度之比接近1傳熱較好
?。?）肋片厚度對散熱效果沒有多大影響
?。?）肋片高度對散熱器散熱性能影響較大，但肋片高度過高，散熱器體積增加太多就受到實際應用中散熱器可使用體積的限制
?。?）肋片數目的增多可改善散熱效果，但超過某一數值就沒有什么變化，而且重量還易增加，因而不能盲目增加肋片的數目。
?。?）散熱器一般都要進行煮黑氧化處理。
當在實際應用中，給散熱器提供的空間不足以安裝熱阻小，體積較大的散熱器時就要采用風冷等冷卻方式，而在選擇風扇時，也要注意把握以下幾個原則：
?。?）在功率允許的情況下，盡可能選擇風量較大的風扇，與風量有關的因素包括風扇的大小，轉速等。
?。?）風扇的送風形式對散熱效果也有較大的影響，鼓風時產生的是紊流，風壓大但容易受到阻力損失；抽風時產生的是層流，風壓小但氣流穩(wěn)定。理論上說，紊流的換熱效率比層流大得多，但是氣流的運動與散熱片也有直接關系。在某些散熱片設計中（比如過于緊密的鰭片），氣流受散熱片阻礙非常大，此時采用抽風可能會有更好的效果。因而在選用時要注意。
4、可行性判定
在設計的最后階段，就綜合考慮開關電源的熱設計與電氣設計、電磁兼容設計是否發(fā)生沖突，如果發(fā)生沖突的話就要采取折中的方法，各自犧牲一些指標，從而使開關電源的可靠性及可用性都得到保證。
5、結論
本文所提出的開關電源功率器件的熱設計方法，在功耗計算（涉及到開關器件的選取、電路設計中參數的選擇等都有明確的方向與方法），散熱器與冷卻方式的選擇也提出了它的原則，對開關電源功率器件的熱設計有重要的指導作用。