Tecnología de PCB - Análisis del diseño térmico de la fuente de alimentación del interruptor de la placa de alta frecuencia

1. introducción los productos electrónicos suelen tener requisitos estrictos para la temperatura de trabajo. El aumento excesivo de la temperatura en el interior del equipo de alimentación causará fallas en dispositivos semiconductores sensibles a la temperatura, condensadores electroliticos y otros componentes. Cuando la temperatura supera un cierto valor, la tasa de falla aumenta exponencialmente. Las estadísticas muestran que cada vez que la temperatura de los componentes electrónicos aumenta en 2 ° c, su fiabilidad disminuye en un 10%; La vida útil a 50 ° C de calentamiento es solo 1 / 6 de la vida útil a 25 ° C de calentamiento. Por lo tanto, el dispositivo electrónico cumplirá con los requisitos para controlar el aumento de temperatura en todo el Gabinete y los componentes internos. Este es el diseño térmico de los dispositivos electrónicos. Para la fuente de alimentación del interruptor de placa de alta frecuencia con dispositivo de calentamiento de alta potencia, la temperatura es el factor más importante que afecta su fiabilidad. Por lo tanto, hay requisitos estrictos para el diseño térmico general. El diseño térmico completo incluye dos aspectos: cómo controlar el calor generado por la fuente de calor; Cómo disipar el calor generado por la fuente de calor. El objetivo final es cómo controlar la temperatura del dispositivo electrónico dentro del rango permitido después de alcanzar el equilibrio térmico.

2. los principales elementos de calefacción en la fuente de alimentación del interruptor de diseño de control de calefacción son los tubos de conmutación semiconductores (como mosfet, igbt, gtr, scr, etc.), Los diodos de alta potencia (como Los diodos de recuperación súper rápida, Los diodos schottky, etc.), los transformadores de alta frecuencia, los inductores de filtro y otros elementos magnéticos y las cargas falsas. Cada elemento de calefacción tiene un método de control de calefacción diferente. 2.1 El tubo de interruptor de calefacción que reduce el interruptor de alimentación es uno de los componentes que producen más calor en la fuente de alimentación del interruptor de alta frecuencia. Reducir su calor no solo puede mejorar la fiabilidad del tubo de conmutación en sí, sino también reducir la temperatura de toda la máquina, mejorar la eficiencia de toda la máquina y el tiempo promedio sin fallas. (mtbf). Cuando el tubo de conmutación funciona normalmente, se encuentra en dos Estados de encendido y apagado, y las pérdidas generadas se pueden dividir en pérdidas causadas por dos Estados críticos y pérdidas causadas por el Estado de encendido. Entre ellos, la pérdida del Estado de conducción está determinada por la resistencia del Estado de conducción del propio tubo de conmutación. Esta pérdida se puede reducir seleccionando un tubo de interruptor con baja resistencia de conducción. La resistencia de conducción del MOSFET es mayor que la del igbt, pero su frecuencia de funcionamiento es mayor, por lo que sigue siendo el dispositivo preferido para el diseño de la fuente de alimentación del interruptor. Ahora, el nuevo MOSFET de potencia de la serie hexfets (hexfet hexagonal) de ir ha logrado una resistencia de Estado de conducción de 3 m, por lo que estos dispositivos tienen una menor pérdida de conducción, carga de puerta y pérdida de conmutación. La compañía estadounidense APT también tiene productos similares. Al seleccionar dispositivos con interruptores más rápidos y menos tiempo de recuperación, también se puede reducir la pérdida en los dos Estados clave de conducción y apagado. Pero lo más importante es reducir las pérdidas diseñando mejores métodos de control y tecnologías de amortiguación. Este método puede mostrar ventajas cuando la frecuencia del interruptor es alta. Por ejemplo, varias tecnologías de conmutación suave pueden hacer que el tubo de conmutación se conecte o se apague en los Estados de tensión y corriente cero, reduciendo así considerablemente la pérdida causada por estos dos Estados. Sin embargo, desde el punto de vista de los costos, algunos fabricantes siguen utilizando la tecnología de conmutación dura, que pueden reducir las pérdidas y mejorar la fiabilidad de los tubos de conmutación a través de varios tipos de tecnología de amortiguación. 2.2 reducir la fiebre de los diodos de potencia en las fuentes de alimentación de conmutación de alta frecuencia, Los diodos de potencia tienen muchas aplicaciones, Y el tipo elegido también es diferente. Para los diodos de potencia que rectifican la corriente alterna de 50 Hz de entrada en corriente continua y los diodos de recuperación rápida en el circuito amortiguador, en circunstancias normales, no habrá una mejor tecnología de control para reducir las pérdidas, solo se pueden seleccionar dispositivos de alta calidad, como el uso de voltaje de conducción. Los diodos Schottky más bajos o los diodos de recuperación súper rápida tienen una velocidad de apagado más rápida y una recuperación suave para reducir la pérdida y el calor. El circuito de rectificación del lado secundario del transformador de alta frecuencia también puede adoptar el método de rectificación síncrona para reducir aún más la pérdida de caída de tensión de rectificación y el calor, pero ambos aumentarán los costos. Por lo tanto, vale la pena estudiar cómo los fabricantes captan el equilibrio entre rendimiento y costo para lograr la relación rendimiento - precio más alta. 2.3 reducir el calor de componentes magnéticos como transformadores de alta frecuencia e inductores de filtro. varios componentes magnéticos son indispensables en fuentes de alimentación de conmutación de alta frecuencia, como estrangulamientos en filtros, Inductores de filtro de almacenamiento de energía, fuentes de alimentación de aislamiento y transformadores de alta frecuencia. Producen más o menos pérdidas de cobre y hierro durante el trabajo, que se emiten en forma de calor. Especialmente para inductores y transformadores, debido al efecto cutáneo, la corriente de alta frecuencia que fluye en la bobina duplicará la pérdida de cobre, por lo que la pérdida causada por inductores y transformadores se convierte en una parte importante. Por lo tanto, en el diseño se deben utilizar varios cables recubiertos de laca fina para el devanado paralelo, o láminas de cobre anchas y delgadas para el devanado para reducir el impacto del efecto de la piel. Los núcleos magnéticos suelen estar hechos de materiales de ferritas de alta calidad, como los materiales magnéticos tdk producidos en Japón. Se debe dejar un cierto margen en la selección para evitar la saturación magnética. 2.4 para reducir el calor de la carga falsa para evitar el aumento de voltaje causado por el Estado sin carga, las fuentes de alimentación del interruptor de alta potencia a menudo están equipadas con resistencias de alta potencia de carga falsa. Esto es especialmente cierto para las fuentes de alimentación con unidades PFC de origen. Cuando la fuente de alimentación del interruptor funciona, la pseudo - carga debe pasar por una pequeña cantidad de corriente, lo que no solo reducirá la eficiencia de la fuente de alimentación del interruptor, sino que también su calor es un factor que afecta la estabilidad térmica de toda la máquina. La carga virtual sobre una placa impresa (pcb) suele estar muy cerca de los condensadores electroliticos utilizados para filtrar la salida, y los condensadores electroliticos son extremadamente sensibles a la temperatura. Por lo tanto, es necesario reducir el valor térmico de la carga simulada. Una forma más factible es diseñar la carga virtual como un método de Resistencia variable. El tamaño de la resistencia a la pseudo - carga se controla detectando la corriente de salida de la fuente de alimentación del interruptor. Cuando la fuente de alimentación está en carga normal, la pseudo - carga se retira del Estado de consumo de corriente; Cuando no hay carga, la pseudo - carga consume la corriente máxima. Esto no afectará la estabilidad de la fuente de alimentación sin carga, ni reducirá la eficiencia de la fuente de alimentación y producirá una gran cantidad de calor innecesario. Diseño de disipación de calor 3.1 El método básico de disipación de calor y su método de cálculo tienen tres formas básicas de disipación de calor: conducción térmica y convección.