开关电源的可靠性热设计

文章摘要：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,

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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.

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