开关电源热设计分析

开关电源发展到今天,从以前的线性电源、相控电源发展到现在的开关电源,它伴随着频率的提高,效率的增加,功率密度的提高,特 别是开关电源逐渐要求小型化的今天,对开关电源的热分析的要求越来越高。

有统计资料表明,电子元器件温度每升高 2℃,可靠性下降 10%元器件温升为 50C 时的寿命只有温升为 25C 时的 1/6。而高频开关电源 这一类拥有大功率发热器件的设备,温度更是影响其可靠性的重要因素,因此热设计愈加成为开关电源产品设计的关键一环,热设计的效果 百接关系到开关电源能否长期正常、稳定工作的重要因素。热设计是开关电源设备结构设计中不可忽略的一个环节,直接决定产品的成功与 否,良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。

热设计一般都随着开关电源的初步设计开始,而一个好的热设计[2],首先就得对它的主要发热元件的功耗有一个比较准确的预估,这样就 对开关电源内部元件的布局和冷却方式的选择有很好的指导意义。

1 开关电源的结构

图 1 是开关电源常用的主电路拓扑。在开关电源中主要发热器件是开关管、整流二极管、变压器及电感等。

2 开关管的功耗

开关管的工作过程[1]分为四个阶段,即开通阶段、关断阶段、导通阶段、截止阶段。图 2 是开关管工作过程时的电压电流波形。设各个 阶段的时间依次为 t r,t f,t
on,t off,在图中采取了分段折线处理,实际的电压电流波形比这复杂。计算开关管的功耗可以将这四个阶段功耗 CE =U C≈U i,(U i 为一次整流滤波后的直流电压),集电极电流

加起来即为开关管在一个周期的功耗总和。在开关管截止期间,集电极电压 u
C=I CO(I CO 为集电极漏电流)。开关管导通后,集电极电流从

i

I

C1 增大到

I

C2,集电极电压

u

CB=U CBS (U CBS 为饱和压降)。

在开关管由截止转为导通的电压上升期间,或是由导通转为截止的电压下降期间,开关管的电流并不是立即下降至 I

CO 或上升至

I

C2,而

是以某一斜率逐渐下降或上升,这样就会产生开关管的开通损耗与关断损耗,由图 2 的近似波形可知在开关管电压上升过程中电压和电流分 别为:

i Cr= I c0+(I

C1-I C0)

t / tr
r

UCEr=U C-(U C-U

CES) t / t

下降期间其电压和电流分别为:

i

CF=I C2-(I C2-I C0)

t / tf t / tf

u

CEF=U CES +(U C-UCES )

开关管在开通阶段的损耗为

开关管在关断阶段的损耗为

实际上,目前大功率开关管生产工艺已较成熟,即使在晶体管表面温度达到 100℃时[见参献文献

[3]

,UCES 约为 1~3V,IC0 约 0.5~

1mA,而 U C≈U i,一般 U i 为 220V 交流电直接整流滤波后的直流电压,其值为 300V 左右,而 I C 约为数百毫安至数安培,考虑到 U C﹥﹥U 从而有 W r≈I
C1UC CES,I C1﹥﹥I CO,I C2﹥﹥I C0

t r,W f≈I

C2U Ct f

开关管在导通阶段的损耗为

开关管在截止阶段的损耗为

Woff=IC0UCtoff 一周期内开关管的平均损耗为

当脉冲变压器电感量 L 最够大时,开关管导通期间集电极电流变化不大,IC1≈IC2=IC,可得 P C=1/T [I
C0U Ct off+I CU CESton+I C

U C(t r+t f)]

3 整流二极管的功耗

整流二极管的功率损耗主要分为正向导通功率损耗和反向截止时的功率损耗,图 3 为二极管工作时的电压和电流波形图。

正向导通损耗功率为 WP=IDUDtD 其中正向导通电流 ID 较大,但正向导通压降 UD 约为 0.6~0.7V,tD 为正向导通时间。

当二次整流二极管上的电压由正变负时,由于二极管内少数载流子的存储效应,二极管中的电流不会立即变为零,而是存在一个反向截 止时间 tR(见图 3),可近似得到此时二极管的功率损耗为

4 变压器及电感的功耗

众所周知,变压器与电感结构基本相同,这里主要讨论电感损耗。电感损耗包括两方面:其一是与磁芯相关的损耗,即铁损;其二是与 电感绕组相关的损耗,即铜损。等效模型如图 4 所示。

磁芯损耗包括磁滞损耗和涡流损耗,其值可通过计算 B,然后根据电感数据手册,确定出磁芯损耗。获得 B 的方法有两种途径:一是根 据电感数据手册的计算公式,B=K×L×i(t)×IDC,其中 K 为常量。二是△B 为绕组上电压与时间的乘积与电感匝数和有效截面积之比,即

△B(t)= UL×ton/A
开关电源中的高频交流电,会产生电流的趋肤效应,绕组的实际电阻会随频率的提高而增大,大于 RDC,即有一个交流电阻。因此,在计 算铜损时就包括两个方面的损耗,直流电阻产生的损耗和交流电阻产生的损耗。直流电阻 RDC,电感的数据手册已给出,交流电阻可通过求基 波渗透深度和绕组线径求得。设绕组的线径为扎基波渗透深度为 r,则 RAC/RDC=πd2/ πd2-π(d-r)2 电感的铜损为 Pcu=PRDC+PRC=I2DC×RDC+I2ACRMS×RAC

IDC 已知,

,I 为电感的纹波电流,IACRMS 为交流电流的均方根值,PRAC 为交流电阻的消耗功率,PRDC

为直流电阻上消耗功率,Uin 为变压器输入端的电压。

5 结论

本文通过对开关电源主要元器件的功耗进行了分析并提出了相应的计算方法,这对在开关电源的热设计中具有非常重要的指导意义,它 可以对元件的布局和冷却方式的选择等工作提供很好的依据,有助于节约开发时间和提高设计的成功率。


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