【正文】 2) 線圈損耗,如果斜坡分量是斜坡中心值的1/5時(shí),次級(jí)峰值電流可近似等于負(fù)載電流,而峰值初級(jí)電流等于負(fù)載電流除以匝比:I2p ＝IoI1p ＝I2p /n(負(fù)載不變),有效值電流的平方,即線圈損耗(I2R損耗)正比于占空度D,反比于Ui.(對(duì)于峰值電流不變,高次諧波主要由開關(guān)瞬態(tài)引起的,D無明顯變化).線圈損耗在低Ui時(shí)總是最大.變壓器和電抗器可以放置在風(fēng)道中,通過合理選擇鐵心材料和設(shè)計(jì)繞組,可以最大限度地降低其損耗,從而減少發(fā)熱.在機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)散熱問題是考慮最多的問題,需要考慮主要發(fā)熱元件的擺放位置、風(fēng)道的設(shè)計(jì)、冷卻元器件的分離等,就目前的資料來看,各有優(yōu)缺點(diǎn),很難確定一個(gè)最佳方案.11 高頻功率開關(guān)器件和二極管的熱設(shè)計(jì)開關(guān)器件的發(fā)熱量占整機(jī)的50%~80%,從而失去電壓阻斷能力,因此器件工作中管芯的結(jié)溫不能超過允許值,如IGBT、MOSFET和GTR而言,其結(jié)溫上限為125~175℃.器件工作中都會(huì)產(chǎn)生損耗,以熱的形式通過器件的殼體散發(fā)到環(huán)境中,傳熱過程中結(jié)殼間會(huì)形成溫差.從設(shè)計(jì)的角度,可以簡(jiǎn)化為管芯管殼、:熱阻、溫差和發(fā)熱功率間的關(guān)系為熱設(shè)計(jì)的目的就是在溫差和發(fā)熱功率基本確定的條件下,它具有較小的熱阻。采用器件并聯(lián)可以成倍的降低熱阻.進(jìn)行功率器件及功率模塊散熱計(jì)算的目的,就是在確定的散熱條件下選擇合適的散熱器,以保證器件或模塊安全、條件,工程應(yīng)用中的設(shè)計(jì)大多是憑經(jīng)驗(yàn)選取,并作相應(yīng)的核校計(jì)算.電力電子設(shè)備中的功率器件在工作時(shí)其自身也會(huì)消耗一定的電能,。,器件的功率損耗和散熱器的耗散功率將達(dá)到平衡,器件的溫度也不會(huì)繼續(xù)升高,即系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡狀態(tài).在系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)中就正是根據(jù)能達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的功率參數(shù)來確定散熱器應(yīng)當(dāng)具備的相關(guān)參數(shù),因此在設(shè)計(jì)過程中一般先根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)和實(shí)際電路工作參數(shù)來計(jì)算出功率器件的功率損耗,然后以此作為依據(jù)計(jì)算散熱器相關(guān)參數(shù).而功率器件的功率損耗一般包括器件的通態(tài)損耗、開關(guān)損耗、斷態(tài)漏電流損耗及驅(qū)動(dòng)損耗幾個(gè)部分.功率器件開關(guān)損耗包括了開通損耗和關(guān)斷損耗,開關(guān)的開通和關(guān)斷過程伴隨著電壓和電流的劇烈變化,因此產(chǎn)生較大的損耗,而且開關(guān)損耗的大小在很多情況下占有了器件總的功率損耗的相當(dāng)大比重,甚至是主要部分,尤其是當(dāng)器件處于高頻工作情形下.功率器件的開關(guān)損耗與負(fù)載的特性有關(guān),一般簡(jiǎn)化為感性負(fù)載和阻性負(fù)載兩種情況來計(jì)算開關(guān)損耗.功率器件的驅(qū)動(dòng)損耗功率器件在開關(guān)過程中消耗在驅(qū)動(dòng)控制板上的功率以及在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)維持一定的柵極電壓、,這部分的功率損耗與器件的其他部分損耗相比可以忽略不計(jì),但對(duì)于GTO、GTR等通態(tài)電流比較大的功率器件則需要特殊考慮.根據(jù)變壓器二次側(cè)整流二極管的平均電流可以估算其通態(tài)損耗為PDon=IDmaxUD式中UD取二極管在流過峰值電流時(shí)的通態(tài)壓降.二極管的開關(guān)損耗可以按下式估算:PDS=(eon+eoff)fs式中eon和eoff 為每次開通和關(guān)斷耗散的開關(guān)能量。,~2倍估算.根據(jù)二極管的損耗功率和器件的結(jié)溫上限以及環(huán)境溫度的上限,可以計(jì)算出允許的散熱熱阻的上限為RthJC+ RthCA≦(TJMTAM)/(PDon+PDS)式中RthJC為二極管的結(jié)殼熱阻。RthCA為散熱器的熱阻。TJM為二極管允許的最高結(jié)溫。TAM為技術(shù)要求中環(huán)境溫度的上限.二極管的結(jié)殼熱阻加散熱器的熱阻不能超過上式給出的上限,這是選取二極管及其散熱器的依據(jù).根據(jù)變壓器一次側(cè)開關(guān)器件的平均電流可以估算其通態(tài)損耗為PSon=ISmaxUS,應(yīng)采用其通態(tài)電阻和流過其溝道的電流有效值計(jì)算通態(tài)損耗,對(duì)于IGBT、GTR等雙極型器件,應(yīng)采用其飽和壓降乘以通態(tài)平均電流計(jì)算通態(tài)損耗.開關(guān)器件的開關(guān)損耗可以按下式估算:PSS=(eon+eoff)fs式中eon和eoff 為每次開通和關(guān)斷耗散的開關(guān)能量。,按通態(tài)損耗的1~.根據(jù)開關(guān)器件的損耗功率和器件的結(jié)溫上限以及環(huán)境溫度的上限,可以計(jì)算出允許的散熱熱阻的上限為RthJC+ RthCA≦(TJMTAM)/(PSon+PSS)式中RthJC為開關(guān)器件的結(jié)殼熱阻。RthCA為散熱器的熱阻。TJM為開關(guān)器件允許的最高結(jié)溫。TAM為技術(shù)要求中環(huán)境溫度的上限.開關(guān)器件的結(jié)殼熱阻加散熱器的熱阻不能超過上式給出的上限,開關(guān)電源技術(shù)相關(guān)部分內(nèi)容.如MOSFET IRFP22N50A熱特性:如IGBT IRG4PC50F熱特性:如輸出整流雙二極管FFA15U40DN熱特性:如輸出整流雙二極管BYV255V熱特性: 功率器件熱設(shè)計(jì)由于半導(dǎo)體器件所產(chǎn)生的熱量在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位,其熱量主要來源于半導(dǎo)體器件的開通、,采用零開關(guān)變換拓?fù)浞绞疆a(chǎn)生諧振使電路中的電壓或電流在過零時(shí)開通或關(guān)斷可最大限度地減少開關(guān)損耗但也無法徹底消除開關(guān)管的損耗故利用散熱器是常用及主要的方法.功率器件熱設(shè)計(jì)是要防止器件出現(xiàn)過熱或溫度交變引起的熱失效,可分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計(jì)、.對(duì)于一般的功率器件,在生產(chǎn)工藝階段,就要充分考慮器件內(nèi)部、封裝和管殼的熱設(shè)計(jì),當(dāng)功率器件功耗較大時(shí),依靠器件本身的散熱(芯片、封裝及管殼的熱設(shè)計(jì)),此時(shí)需要安裝合適的散熱器,通過散熱器有效散熱,保證器件結(jié)溫在安全結(jié)溫之內(nèi)且能長(zhǎng)期正?？煽康墓ぷ?合理選取散熱器功率器件使用散熱器是要控制功率器件的溫度,尤其是結(jié)溫Tj,使其低于功率器件正常工作的安全結(jié)溫,得到了飛速發(fā)展,常規(guī)散熱器趨向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化,而新產(chǎn)品則向低熱阻、多功能、體積小、重量輕、設(shè)計(jì)散熱器,能有效降低功率器件的結(jié)溫,提高功率器件的可靠性.各種功率器件的內(nèi)熱阻不同,安裝散熱器時(shí)由于接觸面和安裝力矩的不同,、散熱器與功率器件的匹配情況以及整個(gè)電子設(shè)備的大小、重量等因素.功率器件熱設(shè)計(jì)和散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì),如環(huán)境溫度、器件功耗和結(jié)溫等,計(jì)算功率器件結(jié)溫是否工作在安全結(jié)溫之內(nèi),判斷是否需要安裝散熱器進(jìn)行散熱,如功率器件需安裝散熱器進(jìn)行散熱,計(jì)算相應(yīng)的散熱器熱阻,初選一散熱器。重新計(jì)算功率器件結(jié)溫,判斷功率器件結(jié)溫是否在安全結(jié)溫之內(nèi),所選散熱器是否滿足要求。對(duì)于符合要求的散熱器,應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).12 模塊電源的熱設(shè)計(jì)目前國內(nèi)市場(chǎng)使用模塊電源的國外模塊主要供應(yīng)商為VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON以及POWERONE,國產(chǎn)模塊主要的供應(yīng)商有中興、新雷能、迪賽、,在電路上,早期采用準(zhǔn)諧振和多諧振技術(shù),但這一技術(shù)器件應(yīng)力高,且為調(diào)頻控制,大大降低了器件的開關(guān)損耗,同時(shí)由于器件的發(fā)展,使模塊的開關(guān)頻率大為提高,提高了功率密度.模塊電源工藝發(fā)展方向如下:1)降低熱阻,改善散熱為改善散熱和提高功率密度,中大功率模塊電源大都采用多塊印制板疊合封裝技術(shù),控制電路采用普通印制板置于頂層,這種技術(shù)為適應(yīng)大功率的需要,發(fā)展成為直接鍵合銅技術(shù)(Direct Copper Bond,DCB),但因?yàn)樘沾苫逡姿?在基板上安裝散熱器困難,(Insutalted Mental Substrate,IMS),它在鋁散熱板上直接敷絕緣聚合物,再在聚合物上敷銅,經(jīng)蝕刻后,還可以直接采用鋁板作為襯底,控制電路和功率器件分別焊于多層(大于四層,做變壓器繞阻)FR4印制板上,、防潮、抗震,機(jī)械強(qiáng)度高,導(dǎo)熱性能好,成為近年來模塊電源的發(fā)展趨勢(shì)之一,是提高模塊功率密度的關(guān)鍵技術(shù).2)二次集成和封裝技術(shù)為提高功率密度,采用表面貼裝技術(shù)一定要注意貼片器件和基板之間的熱匹配,為了簡(jiǎn)化這些問題,最近出現(xiàn)了MLP(Multilayer Polymer)片狀電容,它的溫度膨脹系數(shù)和銅、環(huán)氧樹脂填充劑以及FR4 PCB板都很接近,二次集成技術(shù)發(fā)展也很快,它是直接購置裸芯片,經(jīng)組裝成功能模塊后封裝,焊接于印制板上,寄生參數(shù)更小,因?yàn)椴捎孟嗤牧系幕?不同器件的熱匹配更好,(IntegratedPower Electronics Module),它是一種三維的封裝結(jié)構(gòu),主要針對(duì)功率電路,取代線鍵合技術(shù).3)扁平變壓器和磁集成技術(shù)磁性元件往往是電源中體積最大、最高的器件,為滿足標(biāo)準(zhǔn)高度的要求,縮短引線長(zhǎng)度,福州大學(xué)的陳為教授3年前在CPES研究了磁集成技術(shù),他們做的一個(gè)樣機(jī)是半橋電路,輸出整流采用倍流整流技術(shù),而且輸出端的兩個(gè)電感跟主變壓器集成在一個(gè)鐵芯里,最后達(dá)到的功率密度為300W/,對(duì)di/dt要求高的場(chǎng)合,比如在實(shí)現(xiàn)VRM的電路中就常常用這種整流電路. 散熱考慮所有的功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),“自身發(fā)熱”,.1)可用的功率密度絕大多數(shù)DCDC轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商都以產(chǎn)品的功率密度作為水準(zhǔn),(W/in3).