??開關(guān)器件的熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計
作者：海飛樂技術(shù) 時間：2017-01-13 17:19
一、開關(guān)器件的熱設(shè)計
熱設(shè)計的好壞直接關(guān)系到開關(guān)器件、電解電容等溫度敏感元件的工作溫度，因此對電源的可靠性至關(guān)重要。
1.開關(guān)器件的傳熱過程
開關(guān)器件的發(fā)熱量占整機的50%～80%，因此是熱設(shè)計的重點。開關(guān)器件工作時，在管芯中產(chǎn)生熱量，通過管殼和散熱器散發(fā)到空氣中(水冷方式時是水中)，其中包含管芯-管殼、管殼-散熱器臺面、散熱器臺面-散熱器散熱面、散熱器散熱面-環(huán)境等相串聯(lián)的多個傳熱過程。從設(shè)計的角度考慮，可以簡化為管芯-散熱器和散熱器-環(huán)境這兩個過程，如圖1所示。
圖1 管芯到環(huán)境的傳熱過程
圖1中，Tj為結(jié)溫，即管芯的溫度；Tc為殼溫，通常認為與散熱器的溫度基本一樣；Ta為環(huán)境溫度，空氣冷卻時為空氣溫度，水冷時為水溫；Pth為發(fā)熱功率；Rthj-e為結(jié)-殼熱阻；Rthe-a為散熱器-環(huán)境熱阻。溫差、熱阻和發(fā)熱功率間的關(guān)系為
熱設(shè)計的目的就是在Pth和(Tjmax-Tamax)基本確定的條件下，選擇合適的熱阻(Rthj-e和Rthe-a，使工作時管芯的溫度低于最大允許的結(jié)溫。
2.結(jié)-殼熱阻Rthj-e的選擇原則
1)電流容量較大的器件通常具有較小的熱阻，而且通態(tài)壓降也低，使得發(fā)熱功率降低，有利于降低溫升，但容量較大的器件成本較高。
2)采用器件并聯(lián)或電路多重化技術(shù)，可以成倍降低熱阻，其原理如圖2所示。因為器件并聯(lián)或電路多重化后，每個器件的熱阻雖然沒有變化，但熱量被分散于多個散熱通道中，相當于多個相同的熱阻并聯(lián)，等效熱阻值明顯下降。但采用這種方法成本也將成倍提高，而且這時必須考慮器件的均流問題。
3.Rthe-a的設(shè)計原則
1)采用散熱面積較大的散熱器，可以得到較低的熱阻，但增加了體積和重量，而且成本也提高了。
2)采用強制風冷，并提高空氣的流速可以達到更好的散熱效果，但成本會增加，而且在某種程度上降低了系統(tǒng)的可靠性，并使噪聲明顯增大。通常在小容量電源中多采用空氣自冷，但在功率為500W～1kW的開關(guān)電源中，應(yīng)采用強制風冷。
3)合理的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計有可能達到事半功倍的效果。
因此，熱設(shè)計具有明顯的折衷性，應(yīng)該在滿足結(jié)溫不超標的條件下，將性能與成本結(jié)合考慮，以達到綜合最優(yōu)。
二、變壓器和電抗器的熱設(shè)計
變壓器和電抗器可以放置在風道中，以加強散熱。但最主要的還是要設(shè)法降低其發(fā)熱量，通過合理地選擇鐵心材料和設(shè)計繞組，可以最大限度地降低其損耗，從而減少發(fā)熱。
三、機箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計
機箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮到機械強度、重量、散熱、屏蔽、美觀、標準化，以及裝配、調(diào)試、維修是否方便等諸多方面的因素。
從強度方面考慮，機箱結(jié)構(gòu)應(yīng)有結(jié)實的框架和較厚的底板，以承擔變壓器、電抗器、散熱器等的重量，其他側(cè)面的蓋板可以用較薄的板以減輕重量。
從屏蔽角度考慮，機箱各蓋板和底板間的搭邊應(yīng)有良好的電接觸，機箱的開孔應(yīng)盡量少，輻射電磁場較強的元件應(yīng)遠離開孔。有時孔的形狀也是很重要的。
從調(diào)試、維修方便的角度考慮，需要調(diào)整的元器件和易損的元器件應(yīng)比較容易接觸到。
對于放置于機柜或屏中的電源，其機箱尺寸還需滿足柜或屏的尺寸標準。
散熱問題可能是機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮最多的問題，需要考慮的主要問題有發(fā)熱元件的擺放位置、風道的設(shè)置、冷卻元件的分離等。就目前的資料來看，有很多可行的方案，各有其優(yōu)點和不足，很難確確定一個最佳的方案。圖3是幾種常見的布局方案。
圖3 各種機箱的結(jié)構(gòu)形式
a) 前后風道式 b) 左右風道式 c) 背板散熱式
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