开关电源的可靠性热设计

文章摘要：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

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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.

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