基于热分析的大功率开关电源结构设计

应用装置Ao t a i n De ie oi t vc s c o

《电力电子》 2 1 3期 0 0年

基于热分析的大功率开关电源结构设计S r c u a sg f g— o r tu t r l De ino h P we thn— d we p l s d Hi Swi ig Mo ePo r c Su pyBa eon Th al a y i er m An lss

华南理工大学电力学院

1文志 - . 7

肖文勋

丘东元

张波

摘

要：随蓿大功率开关电源功率密度的不断提高，合理的热设计是保证电源可靠工作的前提条件。本文以一台 1 V 5/ 2 0 A￣高频开关L源为例， 00 ( J, t !详细介绍了热设计的方法，给出散热器和风机的选择方案，并基于热分析的结果进行了电源的整体结构设计。最后，仿真和实验结果验证了设计的合理性。

关键诃：热分析

结构设计

开关电源

Ab t a t W ihtec t u u m p o e e to o r e st fh g o rs i h n o rs p l, e s n b ete m a e in s r c: t oni o si r v m n np we n i o i h p we w t ig p we u py r a o a l r l sg h n d y c h d wo k sap e e u st n u ear l b ep we u py.n ti a e . i n e a peo 5 2 0 A i— e e c r sa r rq ii t e s r ei l o rs p l I sp p r w t a x m l f1 V/ 0 0 hgh f qu n y eo a h h rs thn o rs p l t e alh h r l e i nm eh d r dao sa d fn l i e h p i s a d b s d o h wi ig p we u py,od ti tet e ma sg t o, a itr n a sa g v n teo t c d e on, n a e nt e r s l fte m a n l ss c m p eeteo e al tu t r e i fp we u py. i al, i lto n x e i na e ut o r l ay i, o s h a lt v r l sr cu ed sgno o rs p l F n l smu ai na d e p rme tl h y

rsl ei e einirao a l eutv ryt s sn b

. s f h d g se eKe r s He ma n l ss Sr cu a e in Swi hig m o ep ywo d: r l ay i tu t rl sg a d t n— d owe u p y c rs p l

3引言 u随着电力电子设备的小型化发展趋势，开关电源的功率密度不断提高，电源的可靠性面临着严峻的挑战。如果电源结构设计不当的话，运行时有可能因为温度过高、 机械振动、电磁干扰等造成故障。因此，电源结构设计的好坏直接影响到电源系统能否长时间稳定工作。 本文以一台 1V 2 0 A的高频开关电源为例，提出基 5,0 0于热分析的电源结构的系统设计方法。首先分析了风机散热器的性能要求，然后介绍初步设计模型，利用 C D软 F件进行热场模拟分析优化设计…,最后通过实验验证结构的可靠性。

本电路如图 I示。图中的三相输入整流桥、逆变桥和所输出整流电路是电源装置中的主要耗能部件，发热量较大，满负载运行时的功率损耗如表 1所示【] 2。表 1主要元件的型号和满负载运行时的功率损耗 ¨一一叠■忸■■_

三相输入整流桥I GBT

6 l 0 G一6 R 10 1OBSM l O 5 GB l ODN2 2

20 5900

输出整流桥

MB P 0 l0 T R 4 0O C L

l2 90

J上==

L

1

. .

一 J b

2开关电源的电路结构及损耗电源的结构对整机的散热尤为重要，特别是大功率电

—

—

一

-

九

: 1 .; :

1图 1基本电路结构

源，常采用风冷或液冷进行散热。本文设计的大电源基

《力子 20期电电》 0年3 13热设计3 1热设汁的基本原则

应用装置式中，q为空气的质量流量，k/ lQ为整流滤波 g s 系统的总耗热量，w;C。空气的定压比热容，k/,为 g k本文设 C= 0 5/ gk 1 0 J k/);△ t出、进风口的空气温差， (为本文设△ t2= 5℃。

在考虑热设计与电气设计前，首先需要明确几点： ( 1)电路的总功耗与功耗分布；

( 2)尽量减少引线长度，一方面是降低引线损耗

,另一方面是减少电磁干扰； ( 3)体积要小，而且要便于安装与拆卸； ( 4)风道设计不应使气流压头损失过大，流速下降过多，且要尽量减少散热片的体积【。

另外空气的体积流量与质量流量的关系如下~

g

v —,

() 2

式中，q为空气的体积流量，m s Y为空气密度， /;k/,本文设 Y= . 3 g m。 g m 12 k/。

本文计划采用抽风机进行强制对流散热，为保证功率器件不会因温度过高而失效，要求器件的壳温即散热片的底板温度≤ 7℃【 0钔。3 2设计流程

由公式 ( )和 ( 1 2)可以算得系统散热所需要的风量约为 3 mi。取 3左右的裕量，初步选择最大风 m/ n倍

量为 1 l m n 3n i的风机，型号为 2 0 Z 4D【。/ 0 F Y .刚3 4散热器的选择

本文所述开关电源的设计初衷采用 2风机分别对逆个变部分与整流滤波部分单独散热，在散热方面上两部分的相互影响很小，所以可以分别对逆变部分与整流部分进行分析来选择风机散热器，下面以逆变部分为例介绍结构设计与风机散热器的选择，整流部分雷同。

逆变部分的专用散热器供 2 I B个 G T模块与 1个输出整流桥模块的散热，模块直接安装在散热器上。 为了散热器尺寸的确定，首先要先得到所需的散热器热阻。散热器热阻与器件功耗之间的关系为R:

本文把逆变电路看成一个整体，近似地看作一个单独机箱，热设计的流程如图 2所示。

h

垒

P

() 3

式中，

为散热器热阻，℃/;△ t与发热器 W为

件紧密接触的散热器底板温度与散热器环境平均温度之间

温差，℃;P为发热器件功耗，w,本文假设发热量全部经过散热器到环境。

取进出口空气温度的平均值为散热器的散热环境温度，约为 4℃,目标把器件壳温控制在 7℃以下，可 0 0得△ f= 0,由式 ( )可以算得散热器热阻约为^ 3℃ 30. 5℃/[ 02 W。

散热器的热阻取决于散热器的结构，尺寸大小以及所用的材料，空气流动状态等。 根据所算得的

散热器热阻与风机流量可以选择较为合适的散热器。本文中不采用通过公式进行繁琐的计算来求出所需散热器的尺寸，而选择参考加估算的方法[。下面 8】

以 V T E公司的某款 b n e型散热器为参考，截面为 10 ET o dd 6图 2热设计流程

×5 mm的特性曲线如图 3 0:由图 3大概得知此款散热器，

3 3J机的选择 X l

由于采用抽风散热，进风口进来的冷空气，流经机 箱并吸收箱内的功率器件发出的热量后，空气温度升高， 并经风机从出风口流出机箱[。风量与总耗散热量，空气温升之间的关系为》 ’ 1’, { j’^…

,● t

, ,

‘

●’

’

图3热阻一风量关系曲线

应用装置As ! a i n D8 ie Di t vc s c o

《力电子》 2 1年 3电 00期

在5 s m/的风速下，L 0 3 0的热阻略低于 00 5 W,跟所 .2℃/需的散热器热阻较为接近，但该热阻曲线是热源均匀分布的情况下得到的，与实际应用有差别，根据这种情况， 在 35 s - m/的风冷环境下，散热器规格必须大于 1 0× 5 6 0× 3 mm。 00

容电感等器件的功耗均不高，因此只要为它们提供一个次要风道便可满足散热需要。

由于实际散热器宽度不能超过 2 0 1mm,模型中散热器尺寸暂定为 2 0X9 1 0×4 0 2 mm,再针对散热器的宽度进行优化。 仿真结果见图 6、图 7,从图 6可以看到，系统的最高温度为 7 .℃,由图 7以看到，机箱内部可以分为 32可

3 5结构模型的初步设计

确定风机与散热器选型后，可根据设计要点可以初步设计逆变部分的结构模型，如图 4所示。

两个风道，其中散热器翅片间为主要风道，风速在 5 s m/ 左右，散热器上方的小器件位于另一风道，为次要风道，风速在 2 s右，均符合设计要求。从仿真结果看散热 m/左器底板中整流桥与 I GBT间的温度较高，靠近进风口处温

度较低，需要对 I GBT模块位置稍作移动。

图4逆变电路结构模型

本文设计的结构模型具有以下特点：

( )发热量大的 2个 I 1 GBT模块安装在散热

器的下方，并靠近进风口，以更好的分散散热器温度； ( 2)隔直电容放置于两 I GBT模块的中间，充分利用温度均匀分布所需 I B G T模块间距的同时，使得逆变电路两输出端尽量靠近，减少对系统的电磁干扰；图6系统温度分布

( 3)采用独立风机散热； ( )控制驱动板位于 I B 4 G T与小变压器的正上方，一方面靠近 I GBT减少引线长度，另一方面远离风扇，降低

由风扇工作造成的机械振动干扰。整流部分的设计与之类似。

霹仿囊及傀他参照图 4,将逆变部分中

图 7系统风道

的各元器件简化为体积相似的长方体，得到如图 5所示

从图 6中可以看到散热器温度分布不均，散热器的利用不充分，可采用以下的改良优化方案改善分布温度，减

的仿真模型，采用 C D软件 FF oh r建模进行热分布仿 ltem真。主要目的是考察 I B G T模块、散热器的温度分布情况，以及风道、风速的总体图 5仿真模型

小散热器体积 0 1]。方案一：调整两 I T模块与散热器底边的距离 ( GB从 4 mm减为 2 mm ) 0 0。 方案二：优化散热器的宽度，从 1 0 8 mm到 2 0 1mm间选择合适宽度 (由于 I GBT模块的左边安装有小器件，空

情况[。由于小变压器及电 9】

问保留，主要针对模块的右边空间进行优化 )。

《力子 2 0期电电》 0年3 1

应用装置A o ia i vc s￣ l t c on De ie

图 8散热器宽度与表面最高温度的关系图，可以看为到宽度在 20 m时比较合适，最后选用 2 0×9 2 mm 0r a 0 0X40

极管模块附近的散热器进行温度测定，并与图 1 1中的仿真结果进行对比。结果见表 2,可以看到样机的实际运行结果基本符合设计要求。表 2实测温度与仿真温度对比

的散热器，图 9为优化设计后散热器温度分布图。可以看出尽管散热器的尺寸减小了，但通过调整器件的位置，

散热器的温度分布更加平均，最高温比优化前更低。仿真温度/℃ (6 ) 1℃7’

5. 09

4. 7 5

5 1

4. 68

实测温度/ ( 6℃ )

℃ 1温升误差

5 0l

4 525 .

4. 95I5 .

4. 3533 .

,

、

髻7 0”

筹话随着大功率电源向轻小化趋向发展，往往需要结合热

明e9

设计与电气设计同时考虑来保证所设计的电源系统能可靠田' ∞ 10 9 20 0 2' 0

工作。本文以一台低压大电流开关电源为例，总结了电宽度( mm )

源结构设计一般流程：首先了解功率损耗与分布，其次

图8散热器宽度与温度的关系图

f确设计的电气要求，然后结合电气设计考虑热设计，最 后利用 C D软件对热分布上进行仿真分析和优化。本文的 F 实验结果证明了该热设计方法的合理性和准确性。

作者简介何文志 ( 8 -男工学硕士，研究方向为电力电子装 1 5) 9置与系统。

参考文献图9优化设计后散热器温度分布图[】 Ha n ma n.Elcr nc S se T e ma De i n f rR l b l y 1 R. n e n e t i y t m h r l sg o e i i t o a i

【1I E ANS T ONSON RE I I I Y, J.E ETR AC I L AB L T VOLR一6NO., . 2, 5

实验验证图 1为本文设计的开关电源样机。对 I B 0 G T模块、二

DECEM BER 1 7. 97

【】 2曹永娟，李强，明耀.林基于 P PCE仿真的 I T功耗计算[】电 SI GB J.微机。0 43 ()4— 2 2 0 .7 6:0 4 .

[】 3杨旭，马静，张新武，王兆安.电力电子装置强制风冷散热方式的研究[】电力电子技术，0 0年第 4期. J. 20 【]屈维谦， 4王久和.大容量 I T可靠性的分析【】 GB J.电气开关，0 8No4 2 0 . ..[】俞佐平.热学[ . 5传 M]北京：民教育出版社.人 [】景莘慧 . 6某功放模块的强迫风冷散热设计… .电子机械工程， 0 5 2 0

图 1大功率开关电源样机 0

年第 2 1卷第 5期 .

基超蜃誊匿 ? ]图1 1实际测温点的仿真结果4 I o rE e t n c 8 P we lc r is o

[】汪择宏. 7电子仪器中散热器热阻的计算方法[ .械与电子， 0 8 J机 J 2 0年， 4期 .第

【】 8

郝国欣.功率器件的散热设计方法[ _ J电子工程师， 0, l1) .8】 2 5 3 (】: 1 . 0 7[] n dMa d a T ema P e o n mp t lcr ncE co u e . 9 Vi o u g . h r l h n me ai Co a e t i n ls rs n E o I EEE I t r oc e y Con e e c n Th r l P no e 9 6. n e S it f r n e o e ma he m na 1 9

【0付桂翠， l】高泽溪.影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析【] J. 电子器件，0 32 ( )3 4 3 7. 2 0,6 1:5— 5 2

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3qp1.html