开关电源功率器件热设计

当前，电子设备的主要失效形式就是热失效。据统计，电子设备的失效有55％是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。

开关电源热设计是指在开关电源的设计过程中，通过合理的热设计技术，使电源能够在规定的温度范围内正常工作。开关电源热设计的主要技术包括热封装技术、冷封装技术、散热器技术、热管理技术等。热封装技术是将电子元件封装在一个热熔胶中，以保护元件免受外界环境的损害，并使元件能够正常工作。

冷封装技术是将电子元件封装在一个塑料外壳中，以保护元件免受外界环境的损害，并使元件能够正常工作。散热器技术是将电子元件与散热器连接，以提高散热效率，使元件能够正常工作。热管理技术是指在开关电源的设计过程中，通过合理的热管理技术，使电源能够在规定的温度范围内正常工作。

功率器件热设计

功率器件热设计主要是防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。

对于一般的功率器件，只需要考虑器件内部、封装和管壳的热设计，而当功耗较大时，则需要安装合适的散热器，通过其有效散热，保证器件结温在安全结温之内正常可靠的工作。

开关电源电路的热设计流程

1）分析电源电路的布局结构，确定主要发热单元;根据电路理论中的相关公式，求得各发热单元的理论损耗值。

2）分析电源电路对应的热路，确定传热途径，绘出等效的热模型。根据热设计理论，计算各个元器件的热阻值;根据热路图建立热平衡方程式，分析温度场分布特性，解出各节点的温度值;根据热路模型与电气模型的对应关系，确立电气模型。

3）建立该电路的3D热模型。利用专业热仿真软件（如Flotherm、ANSYS等），根据流体力学和数值传热学原理，采用有限元体积法，对建立的模型进行数值计算﹔根据计算结果，得出最佳方案。

4）模型或样机试验分析。通过对模型或样机测试测量，检验理论计算与试验结果的偏差程度。

5）除了热设计，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容性的协同设计。

在不影响产品本体性能的条件下，针对开关电源电路的具体要求，并结合元器件的热分析，选择合适的冷却方式，是进行开关电源电路热设计的主要工作。热设计的原则：一是减少发热量，即选用最优的控制方法和技术，如移相全桥技术，同步整流技术等;另外，选择使用低功耗器件，减少发热器件的数目，加大加粗印制线的宽度，提高电源效率;二是采用电源内部的热交换机制，采用传导、对流和辐射三种方式，如散热器、风冷（自然对流和强迫风冷）、液冷（水和油）热管等，将电源内部多余的热量转移。

热系统分析实际上是欧姆定律的变形，有直接与电气领域的元器件相对应的等效元件。电路中的每个元器件和节点对应实际设计结构中的一个物理结构体或表面，电源则对应电路中的一个发热元器件，它产生可计算或测量的功率。损耗就是发热，开关电源电路中功率器件的损耗和变压器的损耗是不可忽略的因素。它不仅会影响到元器件的可靠性，而且对开关电源的输出也产生影响。

功率器件的损耗主要包括开关损耗Pru、导通损耗Pc和门极驱动损耗Pg。表征功率器件热能力的参数主要有结温Tj和热阻Ro。当结温高于周围环境温度Ta时，Tj随着温差（Tj一Ta）的增大而增大，为了保证器件能够长期正常工作，必须规定最大结温Timax。Timax的大小是根据器件的封装材料、芯片材料和可靠性的要求确定的。功率器件的散热能力主要通过热阻来表征。热阻越大，散热能力越差。热阻主要分为内热阻和外热阻两个部分：前者是器件本身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和器件的加工工艺有关;后者则与管壳的封装形式有关。通常管壳的表面积越大，热阻越小。功率器件的热设计主要分为器件内部芯片的热设计，封装的热设计，管壳的热设计，以及功率器件实用热设计。电源设计工程师的主要工作是针对功率器件的实用热设计，其目的是通过计算功率器件的损耗，选择合适的散热器和合理的电路布局;通过散热器的有效散热，保证器件的结温在安全的结温之内，且能长期正常可靠地工作。

变压器的损耗包括：铁心的损耗（铁损）和线圈的损耗（铜损）。变压器的铁损和铜损分别构成它的两个热源。由于热辐射的原因，磁芯产生热量的大部分直接散发到周围空气中，而小部分热量则先传递给线圈，然后再由线圈散发到空气中。同样，线圈产生的热量也有相似的传热方式，即部分直接散热到空气，另一部分则先传递给磁芯，再散发到空气。随着开关电源工作频率的不断提高，损耗（包括铁心损耗和铜损）也在急剧增大。为了提高变压器的功率密度和热性能，以防止热失效，除了需要研究其损耗减小技术（包括开发具有良好高频损耗特性的新型功率铁氧体材料和线圈设计技术）、封装技术以及散热技术外，还需积极研究包括热模型以及温度设计准则等热设计技术。电源设计师应该针对变压器的线圈设计技术。散热技术、创建热模型，以及利用热仿真软件等，进行深入的研究。