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

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. 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

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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

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九

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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