开关电源的几种热设计方法

中心议题：

• 开关电源热设计中常用的几种方法

解决方案：

• 半导体器件的散热器设计
• 自然风冷与强制风冷
• 金属pcb
• 发热元件的布局

1. 引言

开关电源已普遍运用在当前的各类电子设备上，其单位功率密度也在不断地提高.高功率密度的定义从1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3，目前已高达数百瓦每立方英寸。由于开关电源中使用了大量的大功率半导体器件，如整流桥堆、大电流整流管、大功率三极管或场效应管等器件。它们工作时会产生大量的热量,如果不能把这些热量及时地排出并使之处于一个合理的水平将会影响开关电源的正常工作，严重时会损坏开关电源.为提高开关电源工作的可靠性，热设计在开关电源设计中是必不可少的重要一个环节。

2.热设计中常用的几种方法

为了将发热器件的热量尽快地发散出去，一般从以下几个方面进行考虑：使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等。在实际设计中要针对客户的要求及最佳费/效比合理地将上述几种方法综合运用到电源的设计中。

3.半导体器件的散热器设计

由于半导体器件所产生的热量在开关电源中占主导地位，其热量主要来源于半导体器件的开通、关断及导通损耗。从电路拓扑方式上来讲，采用零开关变换拓扑方式产生谐振使电路中的电压或电流在过零时开通或关断可最大限度地减少开关损耗但也无法彻底消除开关管的损耗故利用散热器是常用及主要的方法。

3.1散热器的热阻模型
由于散热器是开关电源的重要部件，它的散热效率高与低关系到开关电源的工作性能。散热器通常采用铜或铝，虽然铜的热导率比铝高2倍但其价格比铝高得多，故目前采用铝材料的情况较为普遍。通常来讲，散热器的表面积越大散热效果越好。散热器的热阻模型及等效电路如下图所示。

半导体结温公式如下式如示：
pcmax(ta)=(tjmax-ta)/θj-a(w)-----------------------(1)
pcmax(tc)=(tjmax-tc)/θj-c(w)-----------------------(2)

其中，pc:功率管工作时损耗；pc(max):功率管的额定最大损耗；tj:功率管节温；tjmax:功率管最大容许节温；ta:环境温度；tc:预定的工作环境温度；θs:绝缘垫热阻抗；θc:接触热阻抗(半导体和散热器的接触部分)；θf:散热器的热阻抗(散热器与空气)；θi:内部热阻抗(pn结接合部与外壳封装)；θb:外部热阻抗(外壳封装与空气)

根据图2热阻等效回路,全热阻可写为：
θj-a=θi+[θb*(θs+θc+θf)]/(θb+θs+θc+θf)----------------(3)

又因为θb比θs+θc+θf大很多，故可近似为：
θj-a=θi+θs+θc+θf---------------------(4)