开关电源热设计分析

开关电源发展到今日，从从前的线性电源、相控电源发展到此刻的开关电源，它陪伴着频次的提升，效率的增添，功率密度的提升，特别是开关电源渐渐要求小型化的今日，对开关电源的热剖析的要求愈来愈高。有统计资料表示，电子元器件温度每高升2℃，靠谱性降落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施，温度更是影响其靠谱性的重要要素，所以热设计更加成为开关电源产品设计的重点一环，热设计的成效百接关系到开关电源可否长久正常、稳固工作的重要要素。热设计是开关电源设施构造设计中不行忽视的一个环节，直接决定产品的成功与否，优秀的热设计是保证设施运转稳固靠谱的基础。热设计一般都跟着开关电源的初步设计开始，而一个好的热设计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。

[2]，第一就得对它的主要发热元件的功耗有一个比较正确的预估，这样就开关电源的构造图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。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。设各个阶段的时间挨次为tr，tf，ton，toff，在图中采纳了分段折线办理，实质的电压电流波形比这复杂。计算开关管的功耗能够将这四个阶段功耗加起来即为开关管在一个周期的功耗总和。在开关管截止时期，集电极电压uCECi，(Ui为一次整流滤波后的直流电压)，集电极电流iC=I=U≈UCO(ICO为集电极漏电流)。开关管导通后，集电极电流从IC1增大到IC2，集电极电压uCB=UCBS（UCBS为饱和压降）。在开关管由截止转为导通的电压上涨时期，或是由导通转为截止的电压降落时期，开关管的电流其实不是立刻降落至ICO或上涨至IC2，而是以某一斜率渐渐降落或上涨，这样就会产生开关管的开通消耗与关断消耗，由图2的近似波形可知在开关管电压上涨过程中电压和电流分别为：iCr=Ic0+(IC1-IC0)t/trUCEr=UC-(UC-UCES)t/tr降落时期其电压和电流分别为：iCF=IC2-(IC2-IC0)t/tfuCEF=UCES+(UC-UCES)t/tf开关管在开通阶段的消耗为开关管在关断阶段的消耗为实质上，当前大功率开关管生产工艺已较成熟，即便在晶体管表面温度达到100℃时[见参献文件[3]，UCES约为1～3V，IC0约～1mA，而，一般U为220V沟通电直接整流滤波后的直流电压，其值为300V左右，而IC约为数百毫安至数安培，考虑到UC≈UiiUC﹥﹥UCES,IC1﹥﹥ICO,IC2﹥﹥IC0进而有W≈IUt，W≈IUtrC1CrfC2C开关管在导通阶段的消耗为开关管在截止阶段的消耗为Woff=IC0UCtoff一周期内开关管的均匀消耗为当脉冲变压器电感量L最够大时，开关管导通时期集电极电流变化不大，IC1≈IC2=IC，可得PC=1/T[IC0UCtoff+ICUCESton+ICUC(tr+tf)]整流二极管的功耗整流二极管的功率消耗主要分为正导游通功率消耗和反向截止时的功率消耗，图3为二极管工作时的电压和电流波形图。正导游通消耗功率为WP=IDUDtD此中正导游通电流ID较大，但正导游通压降UD约为～，tD为正导游通时间。当二次整流二极管上的电压由正变负时，因为二极管内少量载流子的储存效应，二极管中的电流不会立刻变成零，而是存在一个反向截止时间tR(见图3)，可近似获取此时二极管的功率消耗为变压器及电感的功耗尽人皆知，变压器与电感构造基真同样，这里主要议论电感消耗。电感消耗包含双方面：其一是与磁芯有关的消耗，即铁损；其二是与电感绕组有关的消耗，即铜损。等效模型如图4所示。磁芯消耗包含磁滞消耗和涡流消耗，其值可经过计算B，而后依据电感数据手册，确立出磁芯消耗。获取B的方法有两种门路：一是根据电感数据手册的计算公式，B=K×L×i(t)×，IDC此中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开关电源中的高频沟通电，会产生电流的趋肤效应，绕组的实质电阻会随频次的提升而增大，大于RDC，即有一个沟通电阻。所以，在计算铜损时就包含两个方面的消耗，直流电阻产生的消耗和沟通电阻产生的消耗。直流电阻RDC，电感的数据手册已给出，沟通电阻可经过求基波浸透深度和绕组线径求得。设绕组的线径为扎基波浸透深度为r，则RAC/RDC=πd2/πd2-π(d-r)2电感的铜损为Pcu=PRDC+PRC=I2DC×RDC+I2ACRMS×RACIDC已知，

，I为电感的纹波电流，

IACRMS为沟通电流的均方根值，

PRAC为沟通电阻的耗费功率，

PRDC为直流电阻上耗费功率，

Uin为变压器输入端的电压。结论