开关电源的可靠性热设计分析
T = P*(热模型)
TJ = PD * ( JC +CA) + TA
在使用散热器的情况下,散热器与周围空气之间的热释放的阻力称为热阻,散热器与空气之间热流的大小用芯片的功耗来代表,这样热流由散热器流向空气时由于热阻的存在,在散热器和空气之间就产生了一定的温差,就像电流流过电阻会产生电压降一样.同样,散热器与芯片表面之间也会存在一定的热阻.热阻的单位为℃/W.选择散热器时,除了机械尺寸的考虑之外,最重要的参数就是散热器的热阻.热阻越小,散热器的散热能力越强.
从热力学的角度来看,物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在时,就必然发生热从高温处传递到低温处,这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象.而热传递的方式有三种:辐射、对流、传导,其中以热传导为最快.我们要讨论的风冷散热,实际上就是强制对流散热.
对流换热是指流体与其相接触的固体表面或流体,而这具有不同温度时所发生的热量转移过程.热源将热量以热传导方式传至导热导热介质,再由介质传至散热片基部,由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流,将热量散发到空气中.风扇不断向散热片吹入冷空气,流出热空气,完成热的散热过程.
对流换热即受导热规律的支配,又受流体流动规律的支配,属于一种复杂的传热过程,表现在对流换热的影响因素比较多.
1)按流体产生流动的原因不同,可分为自然对流和强制对流.
2)按流动性质来区分,有层流和紊流之别.流体从层流过渡到紊流是由于流动失去稳定性的结果.一般以雷诺数(Re)的大小,作为层流或紊流的判断依据.
3)流体的物性对对流换热的影响.例如,粘度、密度、导热系数、比热、导温系数等等,它们随流体不同而不同,随温度变化而变化,从而改变对流换热的效果.
4)换热表面的几何条件对对流换热的影响.其中包括:
a管道中的进口、出口段的长度,形状以及流道本身的长度等;
b物体表面的几何形状,尺寸大小等;
c物体表面,如管道壁面、平板表面等的粗糙程度;
d物体表面的位置(平放、侧放、垂直放置等)以及流动空间的大小.
5)流体物态改变的影响.
6)换热面的边界条件,如恒热流、恒壁温等,也会影响对流换热.
7)风量和温度的关系
T＝Ta+1.76P/Q
式中
Ta-环境温度,℃
P-整机功率,W
Q-风扇的风量,CFM
T-机箱内的温度,℃
举一个电路设计中热阻的计算的例子:
设计要求:芯片功耗:20瓦,芯片表面不能超过的最高温度:85℃,环境温度(最高):55℃计算所需散热器的热阻.
实际散热器与芯片之间的热阻很小,取0.1℃/W作为近似.
则 (R+0.1)×20W=85℃-55℃
得到 R=1.4℃/W
只有当选择的散热器的热阻小于1.4℃/W时才能保证芯片表面温度不会超过85℃.
使用风扇能带走散热器表面大量的热量,降低散热器与空气的温差,使散热器与空气之间的热阻减小.因此散热器的热阻参数通常用一张表来表示.如下例:
风速(英尺/秒)热阻(℃/W)
03.5
1002.8
2002.3
3002.0
4001.8
功率元件的散热方式是关键.开关电源一般采用空气冷却或者水冷.在功率较小时,采用空气冷却就能够满足要求.在功率较大时,则需要在散热器中通水,利用水流带走热量,因为散热器一般都有不同的电位,所以必须采用绝缘强度较好的水,一般采用纯净水,它比普通蒸馏水的离子含量还要低.在水路的循环系统中,一般还要加离子树脂交换器,因为散热器上的金属离子会不断的溶解到水中,这些离子需要被吸附清除.
应该说,从散热的角度来说,水冷是非常理想的.但是,水循环系统工艺要求高,安装复杂,维护工作量大,而且一旦漏水,会带来安全隐患.所以,能够用空气冷却解决问题的场合,就不要采用水冷.
空气冷却能够从设备中带出来的热量,与有效散热面积的大小有关系,散热面积越大,能够带走的热量就越多.元器件的数目越多,散热的面积就越大,空气冷却的效果就越好.
电力电子元件的热量按照如下方式传导:沿散热器表面散开,再沿表面传递到散热片上,被空气带走.沿散热器表面散开的面积是非常有限的,离开元件较远处,已经基本感受不到热量,所以把散热器表面做大到一定程度,对散热效果的增加已经没有意义.对于散热器的齿片也是一样,齿根处温度较高,齿尖处只有很少的热量到达,所以增高齿片到一定程度,对散热也毫无用处.
所以,要解决大功率产品的空气冷却问题,唯一有效的办法是,利用很多的元器件,均摊热量,增大有效的散热面积.
当然,采用功耗较小的新一代元器件,或者采用热阻较小的新式散热器,也可以使空气冷却的电源功率更大.
关于电源散热的另外一个问题是,把热量从电源内部带出来以后,如何耗散在大气中.对于水冷装置,需要在室外安装一个水-空冷装置,把热水变成凉水.对于空气冷却的装置,如果散热量较大,需要安装风道,把热空气直接排出室外,否则,热空气会在室内聚集,造成室温升高.以前有的用户考虑用室内空调机降温,事实证明在大功率电源应用中,需要较大的空调配置,是不经济的.
降低热阻,提高对流换热的途径主要有:加大散热器尺寸或者增加散热片数量以加大散热面积 ;采用更大尺寸或拥有更强风力的风机增大空气流速以增大 ;引入紊流以增强局部对流来增大 等.通常情况下,选用散热面积较大的型材散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境介质的热阻,但散热面积的增加和风机风量的提高均受装置体积、重量以及噪音指标等限制.由于电力电子器件的小型化和轻量化的发展趋势,在散热器和风机参数一定的条件下,通过合理的风道设计,在散热器表面流场引入紊流是改善散热的又一有效途径.
合理的风道设计一般要求引导风扇气流冲击散热器表面,适当的改变气流在散热器表面的流动方向以在散热器附近流场中形成大的扰动,从而形成广泛的紊流区,加强散热效果,如在散热器前端加入扰流片等办法;同时不应使气流压头损失过大,流速下降过多,以免降低散热效果.事实上这两方面往往存在矛盾,所以应综合权衡,尽量最优.
风扇出风口与散热器间的距离对模块散热的影响研究
在强迫吹风冷却情形下,由于风扇旋涡swirl存在,散热器与风扇间的距离对其流场均匀度影响较大,理论上,当散热器与风扇间的距离足够大时,风扇旋涡swirl对流场的影响较小,然而在产品设计中,由于体积的限制,不可能允许散热器与风扇间的距离太大,换句话说,风扇旋涡swirl对散热的影响是一定存在的,利用FLOTHERM热仿真分析软件,通过合理控制热设计冗余,力求得出一个较合理的风扇与散热器的距离.
在实际应用中,受到产品本身结构布置、外形尺寸等相关因素的限制,冷却风扇与散热器间的距离不可能得到任意满足.那么,如何合理、经济地确定风扇与散热器间距离的大小,如何平衡诸多因素间的矛盾呢?我们必须从引起该结果差异的原因中进行分析,找出一个折衷的方法来较为合理、经济地确定该距离的大小.
仔细分析造成流场不均匀的原因,其关键的因素就是:一方面,由于实际风扇中HUB的存在,使冷却风从风扇环形的截面吹出,从而在风扇HUB的下游区域形成不均匀地流场分布;另一方面,轴流风扇的工作原理迫使流经该风扇出口截面的流体,呈旋转状态流向下游.实际上,在保证流体流出风扇后一定距离的情况下,这种旋转效果是能够促进流体间的混合,从而形成一个比较均匀的流场分布,当风扇距散热器为一个风扇的HUB直径时,由于HUB存在而导致的不均匀流场可以得到较大程度上的改善,虽然流场分布还是存在一定程度上的不均匀,但是表现在散热器上功率元器件的壳温,却没有显著的变化,从而形成这一渐近的变化趋势曲线.由此我们可以得出以下结论:
a 风扇强迫吹风冷却时,在冷却风扇出口下游处,造成流场不均匀的主要因素主要是风扇HUB的存在,其次才是流体流经轴流风扇后的旋转效应.
b 该结构设计上,为了能够获得散热器的最大散热能力,我们必须要保证冷却风扇出口截面与散热器间的距离至少大于一个风扇HUB的直径.但是,一旦该距离超过一个风扇的外形直径后,对下游流场均匀程度的贡献已经微乎其为,可以不用考虑该因素造成影响散热器散热能力这一因素.
c 如果在结构设计上,无法保证冷却风扇出口截面与散热器间的距离至少大于一个风扇HUB的直径,则必须要求在风扇与散热器间安装整流栅.
在电力电子行业中,由于存在着大量的功率元器件,因此强迫风冷冷却在该行业得到广泛的应用.由于该行业产品自身的特点及其主要的应用环境,电源模块或系统在选用强迫冷却这种散热方式时,轴流风扇得到广泛的应用.由于轴流风扇的工作原理是通过电机工作,带动与其相连的叶片使叶片以电机给定的转速进行旋转,从而在叶片的前后产生一定的压差,驱动叶片周围的空气沿电机轴这一固定的方向进行运动.因此,轴流风扇具有压头底、流量大等特点.通常人们在选用轴流风扇时,也仅仅考虑了上述的几个特点,忽约了轴流风扇叶片旋转而给被迫产生流动的空气造成的一系列影响.实际上,通过轴流风扇的流体并不完全是沿电机轴这一单方向进行运动的,在与电机轴垂直的风扇叶片截面上也有一速度运动分量.因此,通过轴流风扇驱动的流体实际上是以电机轴为轴线,向前旋转运动着的流动流体.在轴流风扇出口处,流体的实际流动方向如下图所示:
图1、风扇出口处流体的实际流动方向
如前所述,通过轴流风扇出口处的流体实际上是沿轴心旋转向前流动的流体,那么风扇的实际旋转方向对其后的流场(电源内部的被冷却区域)有什么影响呢?
总结风扇供应商所提供的相关数据,我们可以得到如下简单的确定风扇旋转方向对流场影响的方法:按照左手旋转原则,大拇指的方向为流体的宏观流向,其余四指的弯曲方向为风扇出口处流场的旋转方向.在功率元器件的布局时,按照左手螺旋原则,只要我们把关键元器件布置在四弯曲拇指的方向,就能完全避免因风扇旋转方向而造成元器件散热的不利影响.
当然了,以上的分析只适用于采用轴流风扇进行强迫吹风冷却的场合.对于抽风冷却情形,由于风扇出风口流场的变化对其进风口没有什么影响,因此风扇旋转方向对模块内部的散热是没有影响的.
举例:单相输入有功率因数校正3000W开关电源的散热设计
良好的散热方式可有效的减小整机体积,达到合理的功率密度,根据本项目要求散热主要采用强迫风冷方式.在强迫风冷的条件下,电源装置的温升与单位时间内流经电源装置的风量关系重大,因些应该使电源结构有通畅的风道,减小静压损失,其次,应该尽可能使发热量高的部件靠近风流最快的区域,增强热交换率,例如热沉、变压器、开关管等应当优先考虑,最后,还应考虑结构对风扇的影响,进气口应尽可能宽畅,出气口也应减少障碍物,否则可能会改变正常的风扇风流方向及大小,影响风道的作用.
经过详细认真的分析研究,本电源采用下面的整体布局,主板、升压电感、主变压器、输出滤波电感均固定在一整体散热器上,升压电感、主变压器、输出滤波电感成一排固定在散热器上半部,主板固定在散热器下半部:主板上的功率器件如功率开关管、输出整流管通过钢板压条固定在散热器上,主板上半部放置低元器件、下半部放置高元器件,风扇放置在散热器前中上位置并固定在前面板上,采用前进风后出风方式.通过以上设计使电源有一良好风道并使主要发热元件均在高风速范围内,达到了很好的散热效果,明显提高了电源可靠性. 电抗器相关文章:电抗器原理
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