开关电源的可靠性热设计

文章摘要：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

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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.

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