摘要：随着社会的快速发展，热设计在高频大功率开关电源结构的分析十分重要。其能够使得电源结构体系得到相应的优化。本文主要针对设设计在高频大功率开关电源结构中应用进行分析，并提出了相应的优化措施。
关键词：热设计 高频大功率 开关电源结构
在进行高频大功率开关电源的整体设计中，其需要结合电力体系结构，对电源体系进行较为明确的应用。为了掌握电源内部的温度分布情况，可采用专业的热仿真软件模拟电源运行时的热场。常见的热仿真软件包括 ANSYS、ICEPAK 和 FLOTHERM等，其需要利用分布式电源对其高频大功率开关的结构体系进行整体性的优化。
1.15V/2kV高频开关电源的热设计
1.1损耗分析
在进行电源设计的过程中，其高频大功率开关需要得到不同层面的体系优化。但在实际的设计过程中，其依旧会具有一定的损耗。我们可以非常清楚地看到相关的电路结构。整体的结构比较简单，主要分为以下三个部分：
①输入整流。输入整流主要是通过采用三相整流桥的结构来进行工作；
②高频逆变。高频逆变主要采用移相全桥逆变电路的方式来进行运转，而且在这一结构中，必须采用大电流、低饱和和降压阿德1GBT；
③输出整流。这一部分主要是采用了全波不可控整流电路，而且对其中的整流二极管有着非常高的要求，必须选用反向恢复时间短、功耗低的肖特基二极管。但是一般来说，输出的电流是非常大的，这个时候，其中的高频电压器和输出整流器必须采用一定的设计方案，来提高功率的密度。
1.2电源结构热设计的分析
一般情况下，电源的输入电压为交流380V，那么进行整流滤波后输出电压的最大值大概就是540kV，那么其中输入端三相整流桥就可以选用6R1100G-160。这个时候根据相关的规定，以及相应的计算规则，我们可以得到其损耗值为250W。
但是在进行高频大功率开关电源结构热设计的过程中，为了能够使其中的热量进行合理的分布，可以通过在同一块散热器上安装输入整流桥和逆变电路的方式，来进行热量的均匀分布，而且，还需要将输出整流二极管安装在另一块散热器上，使热量的分布更加均匀。通过这种安装方式，可以使电源的内部结构分为以下两个部分：（1）其中的输入整流桥语气中的逆变电路可以归结为电源逆变部分；（2）其中的输出滤电路以及其中的变压器这二者可以分为整流部分。而且这两个部分相互之间是非常独立的，那么在进行设计的过程中，其中的风机和散热器可以进行单独的设计。【1】
而在进行逆变部分设计的过程中，需要注意以下几个方面的问题：（1）为了能够使散热的效果得到更进一步地加强，需要将发热量较大的两个1GBT模块放在进风口的位置；（2）为了能够进一步满足1GBT模块之间的间距的要求，需要在两个模块之间放置一块隔直电容，这样不仅仅使两端的电路输出相互隔开，还进一步减少了系统中电磁的干扰；（3）要采用独立风机散热；（4）为了能够进一步降低风扇工作的干扰，需要将其中的控制盒放置在其中的辅助器的变压器的上方，这样还可以减少引线的长度。【2】
2. 高频大功率开关电源结构设计方法
在高频率开关电源的整体设计中，其首先需要结合其整体的电源设计方式让大功率开关电源的结构分布更加合理。与此同时，在进行电路体系的基础设计时，其需要采用并联组的设计方案使得整体的设计效率得到相应的提高。其可以采用多种不同的信息损耗方式使得电源的整体体系得到良好的分配。下图为大功率高频开关的主电路结构图：
从上图中我们能够十分清晰的看到其电路分布情况。其整体的电路体系分为三个部分。分别为主电路、控制电路以及辅助电路。其主电路的结构体系并没有变化，在控制电路的层面，其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。由于其输出的电流相对较大，其阻抗值在整体的应用中也会发生不同层面的变化。其电源端口的引脚参数如下所示：
由于在进行设计的过程中，其整体的功率相对较大。【3】因此，想要使得热设计的效率得到全面性的提高，其需要对程序的变化进行设计。从而使得大频率开关能够得到结构性的设计。其基本操作程序如下所示：
读状态：输入，RS=L,R/W=H,E=H；输出，D0～D7=状态字。
读数据：输入，RS=H,R/W=H,E=H；输出，无。
写指令：输入，RS=L,R/W=L,D0～D7=指令码，E=高脉冲；输出，D0～D7=数据。
写数据：输入，RS=H，R/W=L, D0～D7=数据，E=高脉冲；输出，无。
其电源开关的整体操作如下所示：
①在进行命令的输入以及输出过程中，其需要通过RS来决定是否写数据或写命令。不需要移动屏幕，其中液晶显示；写数据是指显示什么内容。
②低电平即为读写控制端的写状态。
③要将数据或命令传送到数据线上。
④使高脉冲（e）将数据传送到液晶控制器以执行写操作。
3. 电源结构热设计的优化
开关电源的热设计分为电路级和系统级两个阶段。首先是要进行电路的热设计阶段，这个阶段最主要目的是控制电路的总发热量。通过选择适合的电路拓扑和控制技术，加上相对较低损耗的元器件，尽可能减少电路的损耗，提高整机的运行效率，最后来计算各个器件的损耗，便于掌握电源的整体热量分布。
电路的热设计完成以后，进入系统级的热设计阶段。【4】系统热设计要求要尽可能的减少系统内部结构设计对系统工作的整机的影响，系统产生的热量能保证及时的散热，保证系统在合适的温度范围内正常工作。在进行系统级热设计之前，首先要明确几点：
①电路的总消耗与功耗部分；
②尽量减少引线的长度，其一是降低引线的损耗，其二是减少电磁干扰；
③体积要小，而且要便于安装与拆卸；
④风道设计不应该气流压力损失过大，流速下降过多，且要尽量减少散热片的体积。目前常用的散热方式有三种：
①自然对流散热：自然风冷的散热片安装时应使散热片的叶片竖直向上放置，若有可能则可在PCB上散热片安装位置的周围钻几个通气孔便于空气的对流。这是一种利用空气温度差引起对流换热的基本散热方式。主要适用于小功率密度的电子产品。
②强迫风冷散热方式：是利用风扇强制空气对流，所以在风道设计上同样应使散热片的叶片轴向与风扇的抽气方向一致，为了有良好的通风效果，越是散热量大的器件越应靠近排气扇。适用于功率密度较大的系统，或者自然对流满足不了的情况。【5】
③液冷散热方式：其散热效果比强迫风冷效果还有显著，但是需要外加液体泵，系统比较复杂，维护也比较难，相对成本也很高。主要适用于功率密度大且设备空间小的产品。所以，对功率等级为数百瓦到数百千瓦的电源开关，适合采用强迫风冷进行散热。
在开关电源中，每个器件都会散发热量，传递到散热器，风机迫使空气快速流过散热器，带走其中产生的热量，空气升温并离开电源进入环境，从而把器件的发热量带出系统，因而采用强迫风冷的热设计可以归结为散热器和风机设计。
4.结语
热设计在高频大功率开关电源结构的分析十分重要，其能够使得大功率开关电源结构得到整体性的优化。在进行体系结构的分析过程中，其首先需要对功率开关的结构体系进行全面性的优化。与此同时，还要采用多种不同的设计方法使得功率开关结构设计更加合理。最终使得热设计在高频率功率开关的应用效果更加显著。
参考文献
[1] 胡建辉,李锦庚,邹继斌,谭久彬.变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J].电工技术学报. 2015(03).
[2李波,李科群,俞丹海.]Flotherm软件在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程. 2014(03).
[3] 付桂翠,王香芬,姜同敏.高可靠性航空电子设备热分析中的有限体积法[J].北京航空航天大学学报. 2016(06).
[4] 徐殿国,李向荣.极限温度下的电力电子技术[J].电工技术学报. 2013(03) .
[5] 陈洁茹,朱敏波,齐颖. cepak在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程. 2017(01).
论文作者:覃承勇
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/6
标签：电路论文; 开关电源论文; 结构论文; 电源论文; 散热片论文; 功率论文; 系统论文; 《电力设备》2017年第16期论文;