开关器件的热设计和结构设计

一、开关器件的热设计
  热设计的好坏直接关系到开关器件、电解电容等温度敏感元件的工作温度，因此对电源的可靠性至关重要。
 
  1.开关器件的传热过程
  开关器件的发热量占整机的50%～80%，因此是热设计的重点。开关器件工作时，在管芯中产生热量，通过管壳和散热器散发到空气中(水冷方式时是水中)，其中包含管芯-管壳、管壳-散热器台面、散热器台面-散热器散热面、散热器散热面-环境等相串联的多个传热过程。从设计的角度考虑，可以简化为管芯-散热器和散热器-环境这两个过程，如图1所示。

 图1中，Tj为结温，即管芯的温度；Tc为壳温，通常认为与散热器的温度基本一样；Ta为环境温度，空气冷却时为空气温度，水冷时为水温；Pth为发热功率；Rthj-e为结-壳热阻；Rthe-a为散热器-环境热阻。温差、热阻和发热功率间的关系为   通常开关器件的管芯的极限温度Tjmax为125～150℃，而环境温度Ta的范围在设计任务书中通常都有规定，工业用电源一般Tamax为40～55℃.这样就限定了发热功率Pth流过热阻(Rthj-e+Rthe-a)的最大允许温升(Tjmax-Tamax)。
  热设计的目的就是在Pth和(Tjmax-Tamax)基本确定的条件下，选择合适的热阻(Rthj-e和Rthe-a，使工作时管芯的温度低于最大允许的结温。
 
  2.结-壳热阻Rthj-e的选择原则
  1)电流容量较大的器件通常具有较小的热阻，而且通态压降也低，使得发热功率降低，有利于降低温升，但容量较大的器件成本较高。
  2)采用器件并联或电路多重化技术，可以成倍降低热阻，其原理如图2所示。因为器件并联或电路多重化后，每个器件的热阻虽然没有变化，但热量被分散于多个散热通道中，相当于多个相同的热阻并联，等效热阻值明显下降。但采用这种方法成本也将成倍提高，而且这时必须考虑器件的均流问题。 图2 多个器件并联的热阻
 
  3.Rthe-a的设计原则
  1)采用散热面积较大的散热器，可以得到较低的热阻，但增加了体积和重量，而且成本也提高了。
  2)采用强制风冷，并提高空气的流速可以达到更好的散热效果，但成本会增加，而且在某种程度上降低了系统的可靠性，并使噪声明显增大。通常在小容量电源中多采用空气自冷，但在功率为500W～1kW的开关电源中，应采用强制风冷。
  3)合理的散热结构设计有可能达到事半功倍的效果。
  因此，热设计具有明显的折衷性，应该在满足结温不超标的条件下，将性能与成本结合考虑，以达到综合最优。
 
  二、变压器和电抗器的热设计
  变压器和电抗器可以放置在风道中，以加强散热。但最主要的还是要设法降低其发热量，通过合理地选择铁心材料和设计绕组，可以最大限度地降低其损耗，从而减少发热。
 
  三、机箱结构的设计
  机箱结构的设计需要考虑到机械强度、重量、散热、屏蔽、美观、标准化，以及装配、调试、维修是否方便等诸多方面的因素。
  从强度方面考虑，机箱结构应有结实的框架和较厚的底板，以承担变压器、电抗器、散热器等的重量，其他侧面的盖板可以用较薄的板以减轻重量。
  从屏蔽角度考虑，机箱各盖板和底板间的搭边应有良好的电接触，机箱的开孔应尽量少，辐射电磁场较强的元件应远离开孔。有时孔的形状也是很重要的。
  从调试、维修方便的角度考虑，需要调整的元器件和易损的元器件应比较容易接触到。
  对于放置于机柜或屏中的电源，其机箱尺寸还需满足柜或屏的尺寸标准。
  散热问题可能是机箱结构设计时考虑最多的问题，需要考虑的主要问题有发热元件的摆放位置、风道的设置、冷却元件的分离等。就目前的资料来看，有很多可行的方案，各有其优点和不足，很难确确定一个最佳的方案。图3是几种常见的布局方案。


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