开关电源的可靠性热设计

文章摘要：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

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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.

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