Leiterplattentechnisch - Analyse zur thermischen Auslegung von Hochfrequenz-Schaltnetzteilen

1. Intrbuction

Electronc products generally hstrenge Anforderungen ein die Betriebstemperatur. Übermäßger Temperaturanstieg in thDie Stromversorgung verursachthe Ausfall temperaturempfindlcher Halbleiterbauelemente, Elektrolytkondensatoren undher Komponenten. When the Temperatur überschreitet einn bestimmten Wert, the Ausfallrate stegt exponentiell. Statistikhw that the Zuverlässgkeit elektronischer Komponenten sinkt um 10% jedes Mal the Temperatur elektronischer Bauteile stegt um 2°C; thDie Lebensdauer bei Temperaturanstieg von 50ºC beträgt nur 1°C/6 von thbei einm Temperaturanstieg von 25°C. Thdaher, elektronische Geräte werdenhe Anforderungen an die Kontrolle the Temperaturanstieg von the gesamt chASSIS und interne Komponenten. Thist the thHautdesgn elektronischer Geräte. Für hhohe Frequenz Brett switchStromversorgungen, whch have hgh-Leistung hEssgeräte, Temperatur the wichtgster Einflussfaktorhihre Zuverlässgkeit. Für thist der Grund, thEs gibt strenge Anforderungen anhe insgesamt thHautdesgn. The vollständg thDals dermale Desgn umfasst zwei Aspekte: hw to control the hvon t erzeugtes Essenhe hNahrungsquelle; hwie zu dissipieren the hvon t erzeugtes Essenhe hNahrungsquelle. ThDas ultimative Ziel ist how to control the Temperatur von the elektronische Geräte nach the thHautgleichgewichther weißhin the zulässger Bereich.

2. Hessening control desgn

The Haupt hNahrungsbestundteile in the switchDie Stromversorgung erfolgt über Halbleiter-Switching Rohrs (such als MOSFET, IGBT, GTR, SCR, etc.), hgh-power diodes (such als ultraschnelle Wiederherstellungsdioden, SchOttky-Dioden, etc.), hghFrequenzwandler, Filterinduktivitäten undher magnetische Komponenten und falsche Last, etc. Thes gibt verschiedenehods der Kontrolle hEat Generation for each Art von hEsselement.

2.1 Reduzieren the hErzeugung von t essenhe Power switch

The switch Rohr ist einer von the Komponenten thmehr generieren hessen in the hghFrequenz switchg Stromversorgung. Verringerung der hEssen kann nicht nur verbessernhe Zuverlässgkeit von the switch Rohr selbst, aber auch reduzieren the Temperatur von the whOLE MAChine, Verbesserung the Effizienz von the whOLE MAChin und the mittlere Zeit zwischen Ausfällen. ((MTBF)). When the switch Rohr im Normalbetrieb, Es ist in zwei Zuständen von ein und aus, und thDer entstehende Verlust kann in t unterteilt werdenhe Verlust durch the zwei kritische Zustände und the Verlust durch the zum Staat. Unter them, thDer Verlust wird durch t bestimmthe On-State Resistenz von the switch Rohr selbst. ThDer Verlust kann um c reduziert werdenhmit geringem Widerstandh tube. ThDer On-State-Widerstand von MOSFET ist größer tha tham IGBT, aber seine Betriebsfrequenz ist higher, so ist es immer noch the bevorzugte Vorrichtung für switchEntwicklung der Stromversorgung. Now IR's new IRL3713 series HEXFET (hexagonal field effect transistor) power MOSFET hals ach3mΩ Widerstand vor Ort, so that thDiese Geräte have geringere Leitungsverluste, Tor charge und switchVerlust. The amerikanische APT-Gesellschaft auch hals ähnliche Produkte. The Verluste in the Zwei kritische Zustände des Ein- und Ausschaltens können durch Auswahl von Geräten mith schneller switchDrehzahlen und shoder Erholungszeiten. Aber the wichtiger th• die Verringerung der Verluste durch eine bessere KontrollehOds und PuffertechnikhNiques. Thwird erfüllthd Dosen shVorteile when the switchg-Frequenz ist higher. Zum Beispiel, verschiedene Soft-SwitchghTechnologien könnenhe switchEin- oder Ausschaltrohr in the Nullspannung und Nullstromzustand, ther stark reduziert t the Verlust durch thdiese beiden Staaten. Allerdings, Einige Hersteller verwenden immer noch hard-switchghTechnologie von the Kostenperspektive, und the kannhe Verlust von the switchund seine Zuverlässigkeit zu verbessernhRough verschiedene Arten von PuffertechnikhTechnologien.

2.2 Reduzieren the hErzeugung von t essenhe power diode

In the highFrequenz switchg Stromversorgung, thEs gibt viele Anwendungen von Leistungsdioden, und thDie ausgewählten Typen sind auch unterschiedlich. Für the Leistungsdioden thbei Berichtigung the Eingang 50Hz Wechselstrom in Gleichstrom und the schnelle Wiederherstellungsdioden in the Snubber-Schaltung, unter normalen Umständen, thEs wird keine bessere Steuerung gebenhTechnologie zur Verringerung der Verluste, und nur highGeräte in hoher Qualität können ausgewählt werden, such als the Verwendung der Leitungsspannung. Untere SchOttky-Dioden oder ultraschnelle Wiederherstellungs-Dioden weißh schnellere Abschaltgeschwindigkeit und weiche Wiederherstellung zur Reduzierung von Verlusten und hessen. The Gleichrichterschaltung auf the Sekundärseite von the high-Frequenztransformator kann auch eine Synchronisation annehmenhRöntgenkorrektur erfüllthod bis further reduzieren thGleichrichterspannungsverlust und hErzeugung essen, aber both von them erhöht the Kosten. Thdaher, how the Hersteller greift t t the Ausgewogenheit zwischen Leistung und Kosten undheshe highest cost performe is a question worthStudie.

2.3 Reduzieren the hEssen von magnetischen Komponentenh as highFrequenzwandler and filter inductors

Various magnetic components are indispensably used in highFrequenz switchStromversorgungen, such als chokes in Filtern, Energiespeicherfilterinduktivitäten, isolierte Stromversorgungen, and hhohe Frequenz transformers. They produziert mehr oder weniger Kupferverlust und Eisenverlust während der Arbeit, und thDiese Verluste werden in t emittierthe Form von hessen. Speziell für Induktivitäten und Transformatoren, the highFrequenzstrom, der in t fließthe Spulen verdoppeln the Kupferverlust durch the Hautwirkung, so the Verlust durch the Induktoren und Transformatoren werden zu einem nicht vernachlässigbaren Teil. Thdaher, in the Design, mehrere thin emaillierten Drähten shsollte für Parallelwicklung verwendet werden, oder breit und thin Kupfer shAale shsollte zum Wickeln verwendet werden, um t zu reduzierenhe Einfluss der Hautwirkung. ThDer Magnetkern besteht im Allgemeinen aus highhochwertiges Ferritmaterial, such als TDK Magnetmaterial hergestellt in Japan. Eine gewisse Margehwürde in t gelassen werdenhe Modellauswahl zur Verhinderung der magnetischen Sättigung.

2.4 Reduzieren the Heizwert the fake load

In order to avoid the Spannungsanstieg durch Leerlastzustand, highPower switchStromversorgungen sind häufig mith Dummy-Ladungen...highLeistungswiderstände. ThDies gilt insbesondere für Netzteile mith Quelle PFC-Einheiten. When the switchDie Stromversorgung funktioniert, the Dummy-Ladung hum eine kleine Menge Strom zu übergeben, which wird nicht nur t reduzierenhe Effizienz von the switchg Stromversorgung, aber auch seine hNahrungserzeugung ist ein Faktor thbei Auswirkungen the thHautstabilität von the whOLE MAChine. The Position von the Dummy-Last auf the gedruckt Brett (PCB) is often very close to the Elektrolytkondensator für die Ausgangsfilterung, und thDer Elektrolytkondensator ist extrem temperaturempfindlich. Thdaher, Es ist notwendig, diehe Heizwert the Dummy-Ladung. Ein praktikabler Weg ist das Design the Dummy Last als variable Impedanz erfüllthod. The Größe von the Dummy Lastimpedanz wird durch Detektieren t gesteuerthe Ausgangsstrom von the switchg Stromversorgung. When thDie Stromversorgung ist normal belastet, the Dummy-Ladung verlässt the gegenwärtiger Verbrauchszustand; when thEs gibt keine Last, thDie Dummy-Ladung verbraucht the größte Strömung. Thwird nicht beeinflussenhe Stabilität von the Stromversorgung ohne Last, noch wird eshe Effizienz von thE Stromversorgung und Erzeugung einer großen Menge unnötiger hessen.

3. Heat dissipation design

3.1 ThGrundlegend erfüllthvon hEssen Dissipation und seine Berechnung erfüllthod

Thes sind thdrei grundlegende Möglichkeiten hEssen Dissipation: hSpeiseleitung, Konvektion hEssen Transfer und hStrahlung essen.

1) HSpeiseleitung The hEssen Transfer that tritt zwischen t aufhe verschiedene Teile von the Objekt in direktem Kontakt oderhin the Objekt ist hSpeiseleitung. The mechAnismus ist the gegenseitige Übertragung molekularer kinetischer Energie zwischen Objekten bei unterschiedlichen Temperaturen oder Teilen von Objekten bei unterschiedlichen Temperaturen. ThDas Konzept der hEssen Leitung ist sehr ähnlich zu tham aktuellen. Wärme wird immer von einem Ort geleiteth a high Temperatur zu einem Ort with eine niedrige Temperatur. Thes ist thHautresistenz in thDer Prozess der hSpeiseleitung, genau wie thResistenz in the Stromfluss. Sein heat flow Φ=[W], wher Rt ist the thHautresistenz, und τ ist the Temperaturunterschied. The thermal resistance Rt=[K/W], wher δ ist the thÜbelkeit von the Leiter, Î" ist the thHautleitfähigkeit, und A ist the Querschnittsfläche von the Leiter. In thist der Weg, in the Gestaltung von the switchg Stromversorgung, the Temperaturanstieg τ=ΦRt kann aus t ermittelt werdenhe Verlustleistung von the hNahrungsquelle. In der Praxis, the hEssstrom von the hNahrungsquelle bis thHeizkörper häufig hwie zu übergeben thRough thHautleiter aus verschiedenen Materialien, that is, thEs gibt Reihen von verschiedenen thHautresistenzen. In the Berechnung, the insgesamt thHautresistenzhe Summe des Vielfachen thHautresistenzen.

2) Convective hEssen Transfer hEssen wird auf t übertragenhe Flüssigkeitsschicht in ihrer Nähe thRough heat conduction. Nach thdie Flüssigkeitsschicht ist hgegessen, sein Volumen erweitert sich, seine Dichte wird kleiner, und es fließt nach oben, und thDie umgebende dichte Flüssigkeit fließt hinüber, um sie zu füllen. The Flüssigkeit absorbiert hEssen und dehnt sich aus und fließt nach oben, und zirkuliert in thist der Weg, kontinuierliche Einnahme hessen weg von the Oberfläche von the hEsselement. ThDer Prozess wird konvektiv genannt hEssen Transfer. The Berechnung der Konvektivität hEssen Transfer nimmt im Allgemeinen the formula proposed by Newton: Φ=αA(θ1－θ2)[W], whhier A ist the Fläche von the Wand in Kontakt mith the Flüssigkeit [m2], α ist the konvektiv hSpeisetransferkoeffizient, und θ1 ist the wall temperature [ K], θ2 ist the Durchschnittstemperatur von the fluid [K]. Es kann gesehen werden that the hEssfluss Φ ist proportional zu the Produkt von the konvektiv hSpeiseübergangskoeffizient α, the Querschnittsfläche A, und the Temperaturunterschied zwischen the feste Oberfläche und the fluid (θ1-θ2). Konvektion hEssen Transfer ist ein Komplex hEssen Transfer Prozess, which wird nicht nur durch t bestimmthe hEssen Prozess, aber auch durch thDer dynamische Prozess von thE-Gas. Einfach ausgedrückt, thEs gibt zwei Faktoren thbei Affekt konvektiv hEssen Transfer: (1) The phphysikalische Eigenschaften von the fluid, such als Dichte, Viskosität, Ausdehnungskoeffizienten, thHautleitfähigkeit, spezifisch heat, etc.; (2) The Durchfluss von the Flüssigkeit ist natürliche Konvektion Noch erzwungene Konvektion, Laminarstrom oder turbulente Strömung. Weil in laminarer Strömung, hEssen Transfer beruht hauptsächlich auf hSpeiseleitung zwischen unabhängigen Strömungsschichten; whin turbulenter Strömung, thDie Flüssigkeit erzeugt Wirbel außerhalb von the Laminarflussunterschicht nahe the Wand zu enhance hEssen Transfer. Im Allgemeinen, unter thDie gleicheher Bedingungen, the hDer Speiseübergangskoeffizient der turbulenten Strömung ist um ein Vielfaches größer tha tham Laminarfluss, oder noch mehr.

3) ThHautbestrahlung The Ausbreitung elektromagnetischer Wellen durch Temperaturunterschiede wird t genannthHautbestrahlung. Sein Prozess ist much komplizierter than hEssen Leitung und Konvektion heat transfer. Es ist the Energie thbei wandelt einen Teil von t umhe hEnergie eines Objekts in elektromagnetische Wellen aufnehmen. Es breitet sich um thRough the Medium thkann elektromagnetische Wellen übertragenh als Luft und Vakuum. When es triffther Objekte, ein Teil davon wird absorbiert und in hEnergie essen, und thDie Ruhe spiegelt sich zurück. ThDie Infrarotstrahlung, die von verschiedenen Objekten emittiert wird, ist eine Art hStrahlung essen. Im Vakuum oder in der Luft, thDie Strahlungsfähigkeit eines Objekts hängt von t abhe Art von the Objekt, surface condition (such als Farbe, Roughder, etc.), Fläche, und Oberflächentemperatur. Φ=εσbA(T14－T24) where σb ist Boltzmanns ständiger Witzh ein Wert von 5.67*10－8, A ist the radiation surface area [m2], T ist the absolute Temperatur von the Oberflächen von the two objects [K], ε ist the Oberflächenschwärzung . The dunkler und rauerher the Oberfläche von the Objekt, the stärker the Strahlungsfähigkeit.