开关电源的可靠性热设计

文章摘要：变压器损耗分为磁芯损耗和线圈损耗,很难精确预计.磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗.线圈损耗包括直流损耗和高频损耗.引起变压器温升主要是稳态损耗,而不是瞬态损耗.1) 磁芯损耗a 磁芯磁滞损耗与频率和磁通摆幅有关.在所有Ⅱ类和Ⅲ类磁芯工作状态(正激和推挽类拓扑)中,Uo=DUi/n(n=N1/N2-变压器变比).当工作频率固定,伏秒积即磁通变化量是常数,所以磁滞损耗是常数,与Ui和负载电流无关.b 磁芯涡流损耗实际上即磁芯材料的电阻损耗-I2R.涡流大小正比于磁通变化率,即与变压器伏/匝成正比.因此,如Ui加大一倍,涡流增加一倍,峰值损耗I2R增加4倍;如保持输出稳定,占空度下降一半,则平均损耗I

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变压器损耗分为磁芯损耗和线圈损耗,很难精确预计.磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗.线圈损耗包括直流损耗和高频损耗.引起变压器温升主要是稳态损耗,而不是瞬态损耗.
1) 磁芯损耗
a 磁芯磁滞损耗与频率和磁通摆幅有关.在所有Ⅱ类和Ⅲ类磁芯工作状态(正激和推挽类拓扑)中,Uo=DUi/n(n=N1/N2-变压器变比).当工作频率固定,伏秒积即磁通变化量是常数,所以磁滞损耗是常数,与Ui和负载电流无关.
b 磁芯涡流损耗实际上即磁芯材料的电阻损耗-I2R.涡流大小正比于磁通变化率,即与变压器伏/匝成正比.因此,如Ui加大一倍,涡流增加一倍,峰值损耗I2R增加4倍;如保持输出稳定,占空度下降一半,则平均损耗I2R增加一倍.可见磁芯涡流损耗正比于Ui,最坏情况是最高电压.磁芯涡流损耗还与磁芯结构有关,如果磁芯由相互绝缘的叠片或几块较小的截面组成,涡流比整体小.
2) 线圈损耗
低频线圈损耗是容易计算的.但高频线圈涡流很难精确确定,因为开关电流矩形波包含高次谐波.在正激或推挽类拓扑中,如果斜坡分量是斜坡中心值的1/5时,次级峰值电流可近似等于负载电流,而峰值初级电流等于负载电流除以匝比:
I2p ＝Io
I1p ＝I2p /n
峰值电流与Ui无关.而在峰值电流为常数时(负载不变),有效值电流的平方,即线圈损耗(I2R损耗)正比于占空度D,反比于Ui.(对于峰值电流不变,高次谐波主要由开关瞬态引起的,D无明显变化).线圈损耗在低Ui时总是最大.
变压器和电抗器可以放置在风道中,以加强散热.但最主要的还是设法降低其散热量,通过合理选择铁心材料和设计绕组,可以最大限度地降低其损耗,从而减少发热.
在机箱结构设计时散热问题是考虑最多的问题,需要考虑主要发热元件的摆放位置、风道的设计、冷却元器件的分离等,就目前的资料来看,各有优缺点,很难确定一个最佳方案.

11 高频功率开关器件和二极管的热设计
开关器件的发热量占整机的50%~80%,因此是热设计的重点.由于半导体在较高的温度条件下会变成导体,从而失去电压阻断能力,因此器件工作中管芯的结温不能超过允许值,这一上限同管芯材料和工艺有关.对于目前普遍采用的硅材料制造的各种高频开关器件,如IGBT、MOSFET和GTR而言,其结温上限为125~175℃.器件工作中都会产生损耗,以热的形式通过器件的壳体散发到环境中,传热过程中结-壳间会形成温差.
从设计的角度,可以简化为管芯-管壳、管壳-散热器和散热器-环境等相串联的多个传热过程.如图所示:

热阻、温差和发热功率间的关系为

热设计的目的就是在温差和发热功率基本确定的条件下,选择合适的热阻使工作时管芯的温度低于最大允许的结温.选取原则包括选取电流容量大的器件,它具有较小的热阻;采用器件并联可以成倍的降低热阻.
进行功率器件及功率模块散热计算的目的,就是在确定的散热条件下选择合适的散热器,以保证器件或模块安全、可靠地工作.散热器的设计必须顾及使用环境、条件,以及元件允许的工作温度等多种参数.但是对散热器的传热分析目前国内外都还研究得很不够,工程应用中的设计大多是凭经验选取,并作相应的核校计算.
电力电子设备中的功率器件在工作时其自身也会消耗一定的电能,把单位时间内功率器件所消耗的电能称作为器件的功率损耗.器件的功率消耗将导致其结温升高从而产生了散热冷却的要求;而散热器在单位时间内所散发出的热能量叫耗散功率.在设备正常稳定工作时,器件的功率损耗和散热器的耗散功率将达到平衡,器件的温度也不会继续升高,即系统达到了热平衡状态.
在系统的热设计中就正是根据能达到热平衡状态时的功率参数来确定散热器应当具备的相关参数,因此在设计过程中一般先根据相关数据手册和实际电路工作参数来计算出功率器件的功率损耗,然后以此作为依据计算散热器相关参数.
而功率器件的功率损耗一般包括器件的通态损耗、开关损耗、断态漏电流损耗及驱动损耗几个部分.
功率器件开关损耗包括了开通损耗和关断损耗,开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化,因此产生较大的损耗,而且开关损耗的大小在很多情况下占有了器件总的功率损耗的相当大比重,甚至是主要部分,尤其是当器件处于高频工作情形下.
功率器件的开关损耗与负载的特性有关,一般简化为感性负载和阻性负载两种情况来计算开关损耗.

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