開關(guān)電源的可靠性熱設(shè)計(jì)
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時(shí)間：2010-05-21
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為解決特殊的電子冷卻問(wèn)題選擇和設(shè)計(jì)合適的散熱器是十分關(guān)鍵的一步.散熱器的性能與很多參數(shù)有關(guān),比如:散熱器周圍空氣的溫度和流速;其他通過(guò)器件和電路板的熱傳導(dǎo)途徑的強(qiáng)度;散熱器和所貼附器件之間的接觸熱阻;從散熱器到一個(gè)冷表面的熱輻射路徑,等等.在某一應(yīng)用中工作良好的散熱器換一種情況可能就不起作用了.散熱器還會(huì)對(duì)電磁場(chǎng)產(chǎn)生影響(尤其是在沒(méi)有接地的時(shí)候影響更顯著).附錄的應(yīng)用案例和技術(shù)文檔詳細(xì)闡述了Flomerics軟件是如何對(duì)許多不同情況分析和優(yōu)化散熱器性能的.
10 高頻變壓器和電抗器的熱設(shè)計(jì)
根據(jù)電路拓?fù)浜洼斎?、輸出參?shù)就可以計(jì)算出電磁元件的設(shè)計(jì)參數(shù).磁元件的損耗是線圈設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)之一.圖6-16 是一個(gè)變壓器銅損耗和磁芯損耗定性關(guān)系圖.在給定絕緣等級(jí)和應(yīng)用環(huán)境條件(溫升)下,選取較高的ΔB 值,可以減少匝數(shù),但磁芯損耗Pc 增加;線圈匝數(shù)減少,導(dǎo)線電阻減少,線圈損耗PW 下降;反之,Pc 增加,而PW 減少.變壓器的總損耗P 是兩者之和.在某一個(gè)匝數(shù)N(B)下有一個(gè)最小值,即當(dāng)PW ＝PC 時(shí)變壓器損耗最小,體積也最小.實(shí)際上,完全達(dá)到最優(yōu)是困難的,但在圖6-16 虛線包圍的范圍內(nèi)已相當(dāng)滿意了.
IEC規(guī)定絕緣材料7 個(gè)耐溫等級(jí)如表6-2 所示.
表6-2 IEC 絕緣等級(jí)極限溫度
絕緣等級(jí)YAEBFHC
工作溫度℃90105120130155180>180
根據(jù)采用的絕緣等級(jí)和環(huán)境溫度Ta,就可以決定線圈的允許溫升
ΔT=Tmax-Ta (6-14)
式中Tmax-絕緣等級(jí)一般允許的最高溫度.例如實(shí)際A 級(jí)絕緣允許最高工作溫度為90℃,這是平均溫度,最高溫度有可能達(dá)到等級(jí)極限溫度.
Ta-環(huán)境溫度(℃),應(yīng)當(dāng)是工作環(huán)境溫度.
如果磁芯材料采用非晶合金或磁粉芯,居里溫度一般在250℃以上,磁特性的溫度穩(wěn)定性好,采用B 級(jí)以上絕緣.鐵氧體居里點(diǎn)一般在250℃以下,同時(shí)損耗曲線大約在100℃以上是正溫度系數(shù),即溫度增加,損耗增加.一般磁芯平均溫度控制在100℃以下,變壓器熱點(diǎn)溫度不應(yīng)當(dāng)超過(guò)120℃,與其相應(yīng)的絕緣一般采用E 級(jí)絕緣,最高工作溫度100℃左右.如果磁芯損耗與線圈損耗相等,自然冷卻時(shí)溫升40℃,磁芯比損耗為100mW/cm3.
磁元件線圈的溫升是線圈總損耗和它表面散熱能力的綜合結(jié)果.熱阻有兩個(gè)主要部分:熱源(磁芯和線圈)和變壓器表面之間的內(nèi)熱阻Ri,以及由變壓器表面到外部環(huán)境的外熱阻Rth.
內(nèi)熱阻主要取決于線圈物理結(jié)構(gòu).因?yàn)闊嵩丛谡麄€(gè)變壓器是分布的,很難定量決定.又因最高溫度的“熱點(diǎn)”,實(shí)際上產(chǎn)生很小的熱量.Ri與由表面到內(nèi)熱點(diǎn)無(wú)關(guān),是一個(gè)平均值.磁芯產(chǎn)生熱的大部分(非環(huán)形)靠近變壓器內(nèi)表面.在線圈內(nèi)產(chǎn)生的熱分布在表面到內(nèi)磁芯之間.雖然銅的熱阻很低,但絕緣和空隙提高了線圈內(nèi)的熱阻.這些參數(shù)常常由經(jīng)驗(yàn)決定.通常內(nèi)熱阻Ri遠(yuǎn)小于外熱阻Rth(除強(qiáng)迫通風(fēng)外).
外熱阻Rth主要由通過(guò)變壓器表面氣流-自然對(duì)流還是強(qiáng)迫通風(fēng)決定.自然冷卻時(shí)Rth很大程度上取決于變壓器表面積以及如何安裝,和它周圍空氣流有否障礙.變壓器安裝在水平表面上,并且全部元件圍繞它,或者安裝在相當(dāng)小的容器內(nèi),Rth要比安裝在垂直表面而有利于“煙囪效應(yīng)”大得多.對(duì)于強(qiáng)迫冷卻,Rth可降低到很小數(shù)值,這取決于氣流速度.此時(shí)內(nèi)熱阻Ri成為主要因素.強(qiáng)迫空氣冷卻,熱阻與溫升通常無(wú)關(guān).在決定整機(jī)效率后,整機(jī)損耗也就決定了.根據(jù)整機(jī)分配到磁元件的損耗稱為絕對(duì)損耗.因此整機(jī)效率是絕對(duì)損耗的決定因素.而溫升是平均溫升,也并非磁芯最熱點(diǎn)溫度與表面溫度之差.
根據(jù)“熱路”歐姆定律,溫升和損耗的關(guān)系為:
△T＝Rth×P
式中Rth-熱阻(W/℃).
雖然有不少文獻(xiàn)介紹電磁元件的溫升估算方法,但是尚無(wú)簡(jiǎn)單而精確的分析方法.精確計(jì)算可用有限元計(jì)算機(jī)分析.通常應(yīng)用磁性元件熱阻與表面輻射和自然對(duì)流散熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算溫升,精度可在10℃以內(nèi).熱阻的經(jīng)驗(yàn)公式為
Rth＝295A-0.7×P-0.15
線圈溫升為
△T＝Rth×P＝295A-0.7×P0.85
式中P-磁元件總的損耗功率(W);
A-磁元件的計(jì)算表面積(cm2).
可見,熱阻不僅與輻射表面有關(guān),而且還與磁元件的耗散功率有關(guān).有些磁芯生產(chǎn)廠列出不同規(guī)格磁芯的熱阻Rth.通常中心柱上最熱點(diǎn)比表面溫度大約高10~15℃.表面與周圍空氣較大的溫度差使得表面更容易散熱,即熱阻更低.
例4 E55 型磁芯,材料為3F3 工作頻率為200kHz、磁感應(yīng)B 為0.08T.銅損耗為3W.散熱表面為106.5cm2.求線圈溫升.
解:由磁芯材料3F3 在100℃時(shí)單位損耗與磁感應(yīng)關(guān)系中,查得0.08T 時(shí)單位體積損耗為80mW/cm3.從E55 規(guī)格表中查的有效體積為43.5cm3.因此磁芯損耗為
PW=0.08×43.5=3.48W
總損耗
P=Pc+Pw=3.48+3=6.48W
根據(jù)式(6-17)得到
△T＝295A-7×P0.85＝295×106.5-0.7×6.480.85＝55℃
在設(shè)計(jì)開關(guān)電源開始時(shí),根據(jù)輸出功率,輸出電壓和輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、輸入電壓、環(huán)境條件等因素,設(shè)計(jì)者憑經(jīng)驗(yàn)或參照同類樣機(jī),給出一個(gè)可能達(dá)到的效率,由此得到總損耗值.再將總損耗分配到各損耗部件,得到變壓器的允許損耗.變壓器損耗使得線圈和磁芯溫度提高,線圈中心靠近磁芯表面溫度最高,此最大“熱點(diǎn)” 限制了變壓器的溫升.根據(jù)式(6-15),溫升ΔT(℃)等于變壓器熱阻Rth(℃/ W)乘以功率損耗P(W):
△T＝Rth×P
在一般工業(yè)產(chǎn)品中,民用環(huán)境溫度最高為40℃.變壓器內(nèi)部最高溫度受磁芯和絕緣材料限制,如果采用鐵氧體與A或E級(jí)絕緣,變壓器溫升一般定為40~50℃溫升.其內(nèi)部熱點(diǎn)溫度為100℃.如果溫升過(guò)高,應(yīng)當(dāng)采用較大尺寸的磁芯.如果要求較小的體積,應(yīng)當(dāng)采用合金磁芯和高絕緣等級(jí)的絕緣材料,允許較高溫升,但使效率降低.
變壓器損耗分為磁芯損耗和線圈損耗,很難精確預(yù)計(jì).磁芯損耗包括磁滯損耗和渦流損耗.線圈損耗包括直流損耗和高頻損耗.引起變壓器溫升主要是穩(wěn)態(tài)損耗,而不是瞬態(tài)損耗.
1) 磁芯損耗
a 磁芯磁滯損耗與頻率和磁通擺幅有關(guān).在所有Ⅱ類和Ⅲ類磁芯工作狀態(tài)(正激和推挽類拓?fù)?中,Uo=DUi/n(n=N1/N2-變壓器變比).當(dāng)工作頻率固定,伏秒積即磁通變化量是常數(shù),所以磁滯損耗是常數(shù),與Ui和負(fù)載電流無(wú)關(guān).
b 磁芯渦流損耗實(shí)際上即磁芯材料的電阻損耗-I2R.渦流大小正比于磁通變化率,即與變壓器伏/匝成正比.因此,如Ui加大一倍,渦流增加一倍,峰值損耗I2R增加4倍;如保持輸出穩(wěn)定,占空度下降一半,則平均損耗I2R增加一倍.可見磁芯渦流損耗正比于Ui,最壞情況是最高電壓.磁芯渦流損耗還與磁芯結(jié)構(gòu)有關(guān),如果磁芯由相互絕緣的疊片或幾塊較小的截面組成,渦流比整體小.
2) 線圈損耗
低頻線圈損耗是容易計(jì)算的.但高頻線圈渦流很難精確確定,因?yàn)殚_關(guān)電流矩形波包含高次諧波.在正激或推挽類拓?fù)渲?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 ＝Io
I1p ＝I2p /n
峰值電流與Ui無(wú)關(guān).而在峰值電流為常數(shù)時(shí)(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(wú)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,以加強(qiáng)散熱.但最主要的還是設(shè)法降低其散熱量,通過(guò)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(wèn)題是考慮最多的問(wèn)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(lái)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%,因此是熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn).由于半導(dǎo)體在較高的溫度條件下會(huì)變成導(dǎo)體,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(guò)允許值,這一上限同管芯材料和工藝有關(guān).對(duì)于目前普遍采用的硅材料制造的各種高頻開關(guān)器件,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(guò)器件的殼體散發(fā)到環(huán)境中,傳熱過(guò)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、管殼-散熱器和散熱器-環(huán)境等相串聯(lián)的多個(gè)傳熱過(guò)程.如圖所示:
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,選擇合適的熱阻使工作時(shí)管芯的溫度低于最大允許的結(jié)溫.選取原則包括選取電流容量大的器件,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、可靠地工作.散熱器的設(shè)計(jì)必須顧及使用環(huán)境、條件,以及元件允許的工作溫度等多種參數(shù).但是對(duì)散熱器的傳熱分析目前國(guó)內(nèi)外都還研究得很不夠,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,把單位時(shí)間內(nèi)功率器件所消耗的電能稱作為器件的功率損耗.器件的功率消耗將導(dǎo)致其結(jié)溫升高從而產(chǎn)生了散熱冷卻的要求;而散熱器在單位時(shí)間內(nèi)所散發(fā)出的熱能量叫耗散功率.在設(shè)備正常穩(wěn)定工作時(shí),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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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、電流所消耗的功率稱為開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)損耗.一般情況下,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=IDmax×UD
式中UD取二極管在流過(guò)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;fs為電路的開關(guān)頻率.根據(jù)經(jīng)驗(yàn),按通態(tài)損耗的1.5~2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
RthJ-C+ RthC-AQ(TJM-TAM)/(PDon+PDS)
式中RthJ-C為二極管的結(jié)殼熱阻;RthC-A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(guò)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=ISmax×US
式中US取開關(guān)器件在流過(guò)峰值電流時(shí)的通態(tài)壓降.對(duì)于MOSFET等單極型器件,應(yīng)采用其通態(tài)電阻和流過(guò)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;fs為電路的開關(guān)頻率.根據(jù)經(jīng)驗(yàn),按通態(tài)損耗的1~1.5倍估算.
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
RthJ-C+ RthC-AQ(TJM-TAM)/(PSon+PSS)
式中RthJ-C為開關(guān)器件的結(jié)殼熱阻;RthC-A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(guò)上式給出的上限,這是選取開關(guān)器件及其散熱器的依據(jù).詳見楊旭等著,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(lái)源于半導(dǎo)體器件的開通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗.從電路拓?fù)浞绞缴蟻?lái)講,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(guò)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(wú)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(guò)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)、封裝的熱設(shè)計(jì)和管殼的熱設(shè)計(jì)以及功率器件實(shí)際使用中的熱設(shè)計(jì).其主要關(guān)系如圖所示.
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))并不能夠滿足散熱要求.功率器件結(jié)溫可能會(huì)超出安全結(jié)溫,此時(shí)需要安裝合適的散熱器,通過(guò)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,從而提高功率器件的可靠性.功率器件散熱器隨著功率器件的發(fā)展,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、適用于自動(dòng)化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展.合理地選用、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,會(huì)導(dǎo)致功率器件與散熱器之間的接觸熱阻不同.選擇散熱器的主要依據(jù)是散熱器熱阻RTf.在不同的環(huán)境條件下,功率器件的散熱情況也不同.因此選擇合適散熱器還要考慮環(huán)境因素、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)
功率器件熱設(shè)計(jì)和散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案示于圖2.首先根據(jù)功率器件正常工作時(shí)的性能參數(shù)和環(huán)境參數(shù),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(guó)內(nèi)市場(chǎng)使用模塊電源的國(guó)外模塊主要供應(yīng)商為VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON以及POWER-ONE,國(guó)產(chǎn)模塊主要的供應(yīng)商有中興、新雷能、迪賽、24所等.為實(shí)現(xiàn)高功率密度,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,不利于磁性器件的優(yōu)化.后來(lái)這一技術(shù)發(fā)展為高頻軟開關(guān)和同步整流.由于采用零電壓和零電流開關(guān),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,一般PWM可達(dá)500kHz以上.大大降低了磁性器件的體積,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,而功率電路采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的板材置于底層.早期的中大功率模塊電源采用陶瓷基板改善散熱,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,功率等級(jí)不能做得很大.后來(lái)這一技術(shù)發(fā)展為用絕緣金屬基板(Insutalted Mental Substrate,IMS)直接蝕刻線路.最為常見的基板為鋁基板,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,功率器件直接焊接在銅上.為了避免直接在IMS上貼片造成熱失配,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)FR-4印制板上,然后把焊有功率器件的一面通過(guò)導(dǎo)熱膠粘接在已成型的鋁板上固定封裝.不少模塊電源為了更利于導(dǎo)熱、防潮、抗震,進(jìn)行了壓縮密封.最常用的密封材料是硅樹脂,但也有采用聚氨酯橡膠或環(huán)氧樹脂材料.后兩種方式絕緣性能好,機(jī)械強(qiáng)度高,導(dǎo)熱性能好,成為近年來(lái)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,近年開發(fā)的模塊電源無(wú)一例外采用表面貼裝技術(shù).由于模塊電源的發(fā)熱量嚴(yán)重,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(wèn)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,不易出現(xiàn)象鉭電容和磁片電容那樣因溫度變化過(guò)快而引起電容失效的問(wèn)題.另外為進(jìn)一步減小體積,二次集成技術(shù)發(fā)展也很快,它是直接購(gòu)置裸芯片,經(jīng)組裝成功能模塊后封裝,焊接于印制板上,然后鍵合.這一方式功率密度更高,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,提高了模塊電源的抗冷熱沖擊能力.李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的CPES在工藝上正在研究IPEM(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,減小磁性元件的體積就提高了功率密度.在中大功率模塊電源中,為滿足標(biāo)準(zhǔn)高度的要求,大部分的專業(yè)生產(chǎn)廠家自己定做磁芯.而現(xiàn)有的磁性供應(yīng)商只有飛利浦可以提供通用的扁平磁芯,且這種變壓器的繞組制作也存在一定難度.采用這種磁芯可以進(jìn)一步減小體積,縮短引線長(zhǎng)度,減小寄生參數(shù).CPES一直在研究一種磁集成技術(shù),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/in3.倍流整流技術(shù)適用于輸出電流大,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.
12.1 散熱考慮
所有的功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),由于內(nèi)部功率消耗都將產(chǎn)生一些熱量.在每一應(yīng)用中都有必要限制這種“自身發(fā)熱”,使模塊外殼溫度不超過(guò)指定的最大值.在下面介紹了DC-DC轉(zhuǎn)換器外殼升溫的大概過(guò)程.
1)可用的功率密度
絕大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商都以產(chǎn)品的功率密度作為水準(zhǔn),來(lái)衡量產(chǎn)品的有效性.功率密度通常由瓦/立方英寸(W/in3)來(lái)表示.了解功率密度定義的條件是非常重要的.
評(píng)論