1 引 言
电 子 产 品 对 工 作 温 度 一 般 均 有 严 格 的 要 求 。 电 源 设 备 内 部 过 高 的 温 升 将 会 导 致 对 温 度 敏 感 的 半 导 体 器 件 、 电 解 电 容 等 元 器 件 的 失 效 。 当 温 度 超 过 一 定 值 时 ， 失 效 率 呈 指 数 规 律 增 加 。 有 统 计 资 料 表 明 ， 电 子 元 器 件 温 度 每 升 高 2℃ ， 可 靠 性 下 降 10％ ； 温 升 50℃ 时 的 寿 命 只 有 温 升 为 25℃ 时 的 1/6。 所 以 电 子 设 备 均 会 遇 到 控 制 整 个 机 箱 及 内 部 元 器 件 温 升 的 要 求 ， 这 就 是 电 子 设 备 的 热 设 计 。 而 高 频 开 关 电 源 这 一 类 拥 有 大 功 率 发 热 器 件 的 设 备 ， 温 度 更 是 影 响 其 可 靠 性 的 最 重 要 的 因 素 ， 为 此 对 整 体 的 热 设 计 有 严 格 要 求 。 完 整 的 热 设 计 包 括 两 方 面 ： 如 何 控 制 热 源 的 发 热 量 ； 如 何 将 热 源 产 生 的 热 量 散 出 去 。 最 终 目 的 是 如 何 将 达 到 热 平 衡 后 的 电 子 设 备 温 度 控 制 在 允 许 范 围 以 内 。
2 发 热 控 制 设 计
开 关 电 源 中 主 要 的 发 热 元 器 件 为 半 导 体 开 关 管 （ 如 MOSFET、IGBT、 GTR、 SCR等 ） ， 大 功 率 二 极 管 （ 如 超 快 恢 复 二 极 管 、 肖 特 基 二 极 管 等 ） ， 高 频 变 压 器 、 滤 波 电 感 等 磁 性 元 件 以 及 假 负 载 等 。 针 对 每 一 种 发 热 元 器 件 均 有 不 同 的 控 制 发 热 量 的 方 法 。
2.1 减 少 功 率 开 关 的 发 热 量
开 关 管 是 高 频 开 关 电 源 中 发 热 量 较 大 的 器 件 之 一 ， 减 少 它 的 发 热 量 ， 不 仅 可 以 提 高 开 关 管 自 身 的 可 靠 性 ， 而 且 也 可 以 降 低 整 机 温 度 ， 提 高 整 机 效 率 和 平 均 无 故 障 时 间 （ MTBF） 。 开 关 管 在 正 常 工 作 时 ， 呈 开 通 、 关 断 两 种 状 态 ， 所 产 生 的 损 耗 可 细 分 成 两 种 临 界 状 态 产 生 的 损 耗 和 导 通 状 态 产 生 的 损 耗 。 其 中 导 通 状 态 的 损 耗 由 开 关 管 本 身 的 通 态 电 阻 决 定 。 可 以 通 过 选 择 低 通 态 电 阻 的 开 关 管 来 减 少 这 种 损 耗 。 MOSFET的 通 态 电 阻 较 IGBT的 大 ， 但 它 的 工 作 频 率 高 ， 因 此 仍 是 开 关 电 源 设 计 的 首 选 器 件 。 现 在 IR公 司 新 推 出 的 IRL3713系 列 HEXFET(六 角 形 场 效 应 晶 体 管 )功 率 MOSFET已 将 通 态 电 阻 做 到 3 mΩ ， 从 而 使 这 些 器 件 具 有 更 低 的 传 导 损 失 、 栅 电 荷 和 开 关 损 耗 。 美 国 APT公 司 也 有 类 似 的 产 品 。 开 通 和 关 断 两 种 临 界 状 态 的 损 耗 也 可 通 过 选 择 开 关 速 度 更 快 、 恢 复 时 间 更 短 的 器 件 来 减 少 。 但 更 为 重 要 的 则 是 通 过 设 计 更 优 的 控 制 方 式 和 缓 冲 技 术 来 减 少 损 耗 ， 这 种 方 法 在 开 关 频 率 越 高 时 越 能 体 现 出 优 势 来 。 如 各 种 软 开 关 技 术 ， 能 让 开 关 管 在 零 电 压 、 零 电 流 状 态 下 开 通 或 关 断 ， 从 而 大 大 减 少 了 这 两 种 状 态 产 生 的 损 耗 。 而 一 些 生 产 厂 家 从 成 本 上 考 虑 仍 采 用 硬 开 关 技 术 ， 则 可 以 通 过 各 种 类 型 的 缓 冲 技 术 来 减 少 开 关 管 的 损 耗 ， 提 高 其 可 靠 性 。
2.2 减 少 功 率 二 极 管 的 发 热 量
高 频 开 关 电 源 中 ， 功 率 二 极 管 的 应 用 有 多 处 ， 所选 用 的 种 类 也 不 同 。 对 于 将 输 入 50Hz交 流 电 整 流 成 直 流 电 的 功 率 二 极 管 以 及 缓 冲 电 路 中 的 快 恢 复 二 极 管 ， 一 般 情 况 下 均 不 会 有 更 优 的 控 制 技 术 来 减 少 损 耗 ， 只 能 通 过 选 择 高 品 质 的 器 件 ， 如 采 用 导 通 压 降 更 低 的 肖 特 基 二 极 管 或 关 断 速 度 更 快 且 软 恢 复 的 超 快 恢 复 二 极 管 ， 来 减 少 损 耗 ， 降 低 发 热 量 。 高 频 变 压 器 二 次 侧 的 整 流 电 路 还 可 以 采 用 同 步 整 流 方 式 ， 进 一 步 减 少 整 流 压 降 损 耗 和 发 热 量 ， 但 它 们 均 会 增 加 成 本 。 所 以 生 产 厂 家 如 何 掌 握 性 能 与 成 本 之 间 的 平 衡 ， 达 到 性 价 比 最 高 是 个 很 值 得 研 究 的 问 题 。
2.3 减 少 高 频 变 压 器 与 滤 波 电 感 等 磁 性 元 件 的 发 热
高 频 开 关 电 源 中 不 可 缺 少 地 应 用 了 各 种 磁 性 元 件 ， 如 滤 波 器 中 的 扼 流 圈 、 储 能 滤 波 电 感 ， 隔 离 型 的 电 源 还 有 高 频 变 压 器 。 它 们 在 工 作 中 会 产 生 或 多 或 少 的 铜 损 、 铁 损 ， 这 些 损 耗 以 发 热 的 方 式 散 发 出 来 。 尤 其 是 电 感 和 变 压 器 ， 线 圈 中 所 流 的 高 频 电 流 由 于 趋 肤 效 应 的 影 响 ， 会 使 铜 损 成 倍 增 加 ， 这 样 电 感 、 变 压 器 所 产 生 的 损 耗 成 为 不 可 忽 视 的 一 部 分 。 因 此 在 设 计 上 要 采 用 多 股 细 漆 包 线 并 联 缠 绕 ， 或 采 用 宽 而 薄 的 铜 片 缠 绕 ， 以 降 低 趋 肤 效 应 造 成 的 影 响 。 磁 芯 一 般 选 用 高 品 质 铁 氧 体 材 质 ， 如 日 本 生 产 的 TDK磁 性 材 料 。 型 号 的 选 择 上 要 留 有 一 定 的 余 量 ， 防 止 出 现 磁 饱 和 。
2.4 减 少 假 负 载 的 发 热 量
大 功 率 开 关 电 源 为 避 免 空 载 状 态 引 起 的 电 压 升 高 ， 往 往 设 有 假 负 载 — — 大 功 率 电 阻 ， 带 有 源 PFC单 元 的 电 源 更 是 如 此 。 开 关 电 源 工 作 时 ， 假 负 载 要 通 过 少 量 电 流 ， 不 但 会 降 低 开 关 电 源 的 效 率 ， 而 且 其 发 热 量 也 是 影 响 整 机 热 稳 定 性 的 因 素 。 假 负 载 在 印 制 板 （ PCB） 上 的 位 置 往 往 与 输 出 滤 波 用 的 电 解 电 容 靠 得 很 近 ， 而 电 解 电 容 对 温 度 极 为 敏 感 。 因 此 很 有 必 要 降 低 假 负 载 的 发 热 量 。 比 较 可 行 的 办 法 是 将 假 负 载 设 计 成 阻 抗 可 变 方 式 。 通 过 对 开 关 电 源 输 出 电 流 的 检 测 来 控 制 假 负 载 阻 抗 的 大 小 ， 当 电 源 处 于 正 常 负 载 时 ， 假 负 载 退 出 消 耗 电 流 状 态 ； 空 载 时 ， 假 负 载 消 耗 电 流 最 大 。 这 样 既 不 会 影 响 电 源 空 载 时 的 稳 定 性 ， 也 不 会 降 低 电 源 的 效 率 和 产 生 大 量 不 必 要 的 热 量 。
3 散 热 设 计
3.1 散 热 的 基 本 方 式 及 其 计 算 方 法
散 热 有 三 种 基 本 方 式 ： 热 传 导 、 对 流 换 热 和 热 辐 射 。
1） 热 传 导 靠 物 体 直 接 接 触 或 物 体 内 部 各 部 分 之 间 发 生 的 传 热 即 是 热 传 导 。 其 机 理 是 不 同 温 度 的 物 体 或 物 体 不 同 温 度 的 各 部 分 之 间 、 分 子 动 能 的 相 互 传 递 。 热 传 导 与 电 流 的 概 念 非 常 类 似 ， 热 量 总 是 从 温 度 高 的 地 方 传 导 到 温 度 低 的 地 方 ， 热 传 导 过 程 中 有 热 阻 存 在 如 同 电 流 流 动 过 程 中 有 电 阻 一 样 。 其 热 流 量
式 中 Rt为 热 阻 ， τ 为 温 度 差 。 而 热 阻
， 式 中 δ 为 导 体 厚 度 ， λ 为 热 导 率 ， A为 导 体 截 面 积 。 这 样 ， 在 开 关 电 源 设 计 中 ， 可 以 由 发 热 源 的 耗 散 功 率 ， 求 出 温 升 τ =Φ Rt。 由 于 实 际 应 用 中 ， 热 流 量 从 热 源 出 发 到 达 散 热 器 往 往 要 经 过 几 种 不 同 材 料 的 热 导 体 ， 即 存 在 不 同 热 阻 的 串 联 ， 在 计 算 时 ， 总 热 阻 为 多 个 热 阻 的 和 。
2） 对 流 换 热 热 量 通 过 热 传 导 的 方 式 传 给 与 它 紧 靠 在 一 起 的 流 体 层 ， 这 层 流 体 受 热 后 ， 体 积 膨 胀 ， 密 度 变 小 ， 向 上 流 动 ， 周 围 的 密 度 大 的 流 体 流 过 来 填 充 ， 填 充 过 来 的 流 体 吸 热 膨 胀 向 上 流 动 ， 如 此 循 环 ， 不 断 从 发 热 元 器 件 表 面 带 走 热 量 ， 这 一 过 程 称 为 对 流 换 热 。 对 流 换 热 的 计 算 一 般 采 用 牛 顿 所 提 出 的 公 式 ： Φ =α A(θ 1－ θ 2)[W]， 其 中 A为 与 流 体 接 触 的 壁 面 面 积 [m2]， α 为 对 流 换 热 系 数 ， θ 1为 壁 面 温 度 [K]， θ 2为 流 体 平 均 温 度 [K]。 由 此 可 见 ， 热 流 量 Φ 与 对 流 换 热 系 数 α ， 截 面 积 A及 固 体 表 面 与 流 体 的 温 度 差 （ θ 1－ θ 2） 的 乘 积 成 正 比 。 对 流 换 热 是 一 种 复 杂 的 热 传 递 过 程 ， 它 不 仅 决 定 于 热 的 过 程 ， 而 且 决 定 于 气 体 的 动 力 学 过 程 。 简 单 地 说 ， 影 响 对 流 换 热 的 因 素 有 两 个 方 面 ： （ 1） 流 体 的 物 理 性 质 ， 如 密 度 、 粘 度 、 膨 胀 系 数 、 热 导 率 、 比 热 等 ； （ 2） 流 体 的 流 动 情 况 ， 是 自 然 对 流 还 是 强 迫 对 流 ， 是 层 流 还 是 紊 流 。 因 为 层 流 时 ， 热 传 递 主 要 依 靠 互 不 相 干 的 流 层 之 间 导 热 ； 而 紊 流 时 ， 则 在 紧 贴 壁 面 的 层 流 底 层 之 外 ， 流 体 产 生 漩 涡 加 强 了 热 传 递 作 用 。 一 般 而 言 ， 在 其 它 条 件 相 同 情 况 下 ， 紊 流 的 换 热 系 数 比 层 流 的 换 热 系 数 大 好 几 倍 ， 甚 至 更 多 。
