高频大功率开关电源结构的热设计论文_张松

摘要：随着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。目前，开关电源的热设计主要根据设计者的实际经验，部分经验公式也只是适用于某些特定情况，不具有普遍性。因此，如果没有准确把握电源结构的热设计原则，仅以热电偶、红外测温等热控手段进行保护，难免存在电源局部过热的故障隐患。通过电源结构热设计方法，给出风机和散热片的详细设计方案，通过热场模拟分析进行电源结构的设计。

关键词：开关；电源；热设计

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。由于开关电源的大部分损耗都转化为热量，电源的散热效果与电源的结构设计密切相关。如果电源结构设计不当，那么开关器件所产生的热量将不能及时排出，开关器件的失效率将随着温度升高而大幅增大，严重时还会因温度过高而烧毁开关器件，直接影响到电源的寿命和可靠性。

一、高频开关电源的热设计

1、损耗分析。大功率高频开关电源交流输入为三相380V，直流输出为15V/2kA，主电路包括输入整流、高频逆变以及输出整流三个部分。其中输入整流采用三相整流桥；高频逆变采用移相全桥逆变电路，且选用大电流、低饱和压降的IGBT；输出整流采用全波不可控整流电路，且输出整流二极管选用反向恢复时间短、功耗低的肖特基二极管。由于输出电流比较大，且为了提高功率密度，高频变压器和输出整流器采用并联的设计方案，如图。

（1）输入整流器损耗。由于电源的输入电压为交流380V，整流滤波后的输出电压最大值约为540V，故输入端三相整流桥可选用6RI100G-160，其损耗PR可以根据该型号器件手册上的功耗-电流曲线图读出，结果为PR=250W。

（2）逆变电路损耗。逆变电路的功率开关器件实际是由IGBT和续流二极管组成。其中IGBT的功耗PIGBT包括通态损耗Pion、断态损耗Pioff以及开关损耗Pis。

续流二极管的功耗PFD包括通态损耗Pdon和断态损耗Pdoff。

（3）高频变压器损耗。高频变压器的损耗包含铁损PFe和铜损PCu两部分，其中铁损主要是由磁滞损耗引起。根据变压器的工作磁通密度Bm和工作频率fs，在厂商提供的材料损耗表中可以查出单位体积下的磁滞损耗Pv，考虑磁心体积V，得到变压器的铁损PFe为：

采用变压器并联的设计方案，按照电路的工作条件，可知每个变压器的一、二次电流的大小分别为I1=45A，I2=1kA。故采用的变压器磁心尺寸为154mm×80mm×45mm，对应的V=612cm3、Pv=80mW/cm3；绕组参数=0.0179•mm2/m，N1Lmt1=4.5m，N2Lmt2=0.24m，Ap1=12.56mm2，Ap2=156.8mm2。最后算得单个变压器的总损耗PT=89W。

（4）输出整流二极管损耗。输出整流二极管的损耗PD包括正向损耗Pdf、反向损耗Pdr和开关损耗Pds，因此单个二极管的功耗为：

由于输出电流高达2kA，故选用额定电流为400A的肖特基二极管MBRP400100CTL作为输出整流二极管，考虑二极管裕量，图中的每个输出整流二极管由二极管并联而成，共采用了16个二极管。根据电路工作条件可知Uf=0.83V，Ur=48V，Id=250A，Ir=12mA，IRM=2A，trr=2s。由式可以算得单个整流二极管的损耗为PD=115W。综合计算结果，所设计电源的各部分功耗见表。

2、散热设计

（1）结构设计。由于变压器的损耗相对较小且变压器与空气有较大的接触面积，因此将变压器置于足够通风的环境中就可以限制其温升。为了使热量均匀分布，而将输出整流二极管安装在另一块散热器上。并将电源内部分为两个部分：其中输入整流桥与逆变电路归结为电源逆变部分，输出滤波电路以及变压器归结为整流部分。由于两个散热器是独立的，且单独配置专门的风机，因此两个部分在散热方面的相互影响很小，风机和散热器可以分别设计。以逆变部分的热设计为例进行介绍，整流部分的设计与之类似。逆变部分结构模型如图所示，设计要点如下：

将发热量较大的两个IGBT模块摆放在靠近进风口的位置，以获得更好的散热效果。将隔直电容Cb放置于两个IGBT模块的中间，既满足了IGBT模块的间距要求，又使得逆变电路两输出端尽量靠近，减少对系统的电磁干扰。将控制盒放置于IGBT模块及为其供电的辅助变压器的正上方，一方面令控制板靠近IGBT以减少引线长度；另一方面使控制板远离风扇，减少由风扇工作造成的机械振动干扰。

（2）风机设计。风冷的原理是通过风机抽风，使从进风口进来的冷空气，流经机箱并吸收箱内的功率器件散发的热量，热空气经风机从出风口流出机箱。风量、总耗散热量及空气温升之间的关系为：

由于逆变部分的总发热量为IGBT模块与整流桥的发热量总和，即1131W。设风机进口空气温度为环境温度25℃，出口空气温度低于器件工作温度，设为50℃左右，可得t=25℃。由式可以算得逆变部分散热所需要的风量约为2.2m3/min。类似地，可以算出整流部分散热所需要的风量约为3.6m3/min。由于系统中存在风阻，风机的最大风量一般为所需风量的2～4倍。因此，逆变部分及整流部分可统一选用风量为13m3/min的风机，型号为200FZY23D。根据风量qv可以算得电源内部风速vch的大小为：

（3）散热器设计。逆变部分的散热器主要为两个IGBT模块与1个三相整流桥模块散热，模块直接安装在散热器上。为了确定散热器的尺寸，首先要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：

设风机进出口空气温度的平均值为散热器的环境温度，即38℃。为了把器件壳温控制在70℃以下，可得th=32℃，由式可以算得逆变部分的散热器热阻Rh=0.028℃/W。为了简化散热器热阻的分析，假设功率器件长度Lm等于散热器长度L，功率器件宽度Wm小于散热器宽度W，即Lm=L、Wm＜W。根据功率器件的摆放位置，散热器分成部分：其中热源即功率器件覆盖下的散热器作为一部分，包括n1个翅片；热源两边的散热器作为另外两部分，分别包含有n2、n3个翅片。翅片n2部分的热阻等效电路为典型梯形网络，因此其等效热阻为：

随着大功率开关电源向高功率、高密度方向发展，为保证所设计的电源能安全可靠工作，必须重视电源结构的热设计。以一台低压大电流大功率开关电源为例，给出了电源结构热设计方法，对大功率开关电源的结构设计有一定的指导意义。

参考文献

[1]曹建波，李军伟.级联型多电平变流器新型载波相移SPWM开关电源研究[J].中国电机工程学报,2017,30(3):28-33.

[2]邹云屏，陈伟.低压大电流直流开关电源电磁兼容设计研究[J].通信电源技术，2077，24(3)：37—39.

论文作者:张松

论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期

论文发表时间:2020/3/16

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