PCB Tecnico - Analisi della progettazione termica dell'alimentazione elettrica ad alta frequenza

1. Introduzione I prodotti elettronici generalmente hanno requisiti rigorosi sulla temperatura di funzionamento. L'aumento eccessivo della temperatura all'interno dell'apparecchiatura dell'alimentazione elettrica causerà il guasto dei dispositivi a semiconduttore sensibili alla temperatura, dei condensatori elettrolitici e di altri componenti. Quando la temperatura supera un certo valore, il tasso di guasto aumenta esponenzialmente. Le statistiche mostrano che l'affidabilità dei componenti elettronici diminuisce del 10% ogni volta che la temperatura dei componenti elettronici aumenta di 2°C; la durata di vita ad un aumento di temperatura di 50°C è solo 1/6 di quella ad un aumento di temperatura di 25°C. Pertanto, le apparecchiature elettroniche soddisferanno i requisiti di controllo dell'aumento di temperatura dell'intero telaio e dei componenti interni. Questo è il design termico delle apparecchiature elettroniche. Per gli alimentatori di commutazione a scheda ad alta frequenza, che hanno dispositivi di riscaldamento ad alta potenza, la temperatura è il fattore più importante che influisce sulla loro affidabilità. Per questo motivo, ci sono requisiti rigorosi sulla progettazione termica complessiva. La progettazione termica completa comprende due aspetti: come controllare il calore generato dalla fonte di calore; come dissipare il calore generato dalla fonte di calore. L'obiettivo finale è come controllare la temperatura dell'apparecchiatura elettronica dopo che l'equilibrio termico è stato raggiunto entro il range ammissibile.

I principali componenti di riscaldamento nell'alimentazione elettrica di commutazione sono tubi di commutazione a semiconduttore (come MOSFET, IGBT, GTR, SCR, ecc.), diodi ad alta potenza (quali diodi di recupero ultraveloci, diodi Schottky, ecc.), trasformatori ad alta frequenza, induttori di filtro e altri componenti magnetici E carico falso, ecc. Ci sono diversi metodi di controllo della generazione di calore per ogni tipo di elemento riscaldante.2.1 Ridurre la generazione di calore dell'interruttore di alimentazione Il tubo dell'interruttore è uno dei componenti che generano più calore nell'alimentazione di commutazione ad alta frequenza. Ridurre il suo calore può non solo migliorare l'affidabilità del tubo interruttore stesso, ma anche ridurre la temperatura dell'intera macchina, migliorare l'efficienza dell'intera macchina e il tempo medio tra i guasti. (MTBF). Quando il tubo dell'interruttore è in funzionamento normale, è in due stati di accensione e spegnimento e la perdita generata può essere suddivisa nella perdita causata dai due stati critici e la perdita causata dallo stato di accensione. Tra questi, la perdita di stato on è determinata dalla resistenza di stato on del tubo interruttore stesso. Questa perdita può essere ridotta scegliendo un tubo interruttore a bassa resistenza. La resistenza on-state del MOSFET è più grande di quella di IGBT, ma la sua frequenza di funzionamento è più alta, quindi è ancora il dispositivo preferito per la progettazione di alimentazione di commutazione. Ora il nuovo MOSFET di potenza della serie IRL3713 HEXFET (transistor esagonal field effect) di IR ha raggiunto una resistenza di 3mΩ sullo stato, in modo che questi dispositivi abbiano una minore perdita di conduzione, carica del gate e perdita di commutazione. L'azienda americana APT ha anche prodotti simili. Le perdite nei due stati critici di accensione e spegnimento possono anche essere ridotte selezionando dispositivi con velocità di commutazione più elevate e tempi di recupero più brevi. Ma la cosa più importante è ridurre le perdite progettando metodi di controllo migliori e tecniche di buffering. Questo metodo può mostrare vantaggi quando la frequenza di commutazione è più alta. Ad esempio, varie tecnologie di soft-switching possono consentire l'accensione o lo spegnimento del tubo di commutazione nello stato di zero tensione e zero corrente, riducendo così notevolmente la perdita causata da questi due stati. Tuttavia, alcuni produttori utilizzano ancora la tecnologia hard-switching dal punto di vista dei costi e possono ridurre la perdita del tubo di commutazione e migliorarne l'affidabilità attraverso vari tipi di tecnologie di buffering.2.2 Ridurre la generazione di calore del diodo di potenza Nell'alimentazione di commutazione ad alta frequenza, ci sono molte applicazioni di diodi di potenza, e i tipi selezionati sono anche diversi. Per i diodi di potenza che rettificano la corrente alternata di ingresso 50Hz in corrente continua e i diodi di recupero rapido nel circuito snubber, in circostanze normali, non ci sarà una migliore tecnologia di controllo per ridurre le perdite e solo dispositivi di alta qualità possono essere selezionati, come l'uso della tensione di conduzione. Diodi Schottky inferiori o diodi di recupero ultraveloci con velocità di spegnimento più veloce e recupero morbido per ridurre perdite e calore. Il circuito raddrizzatore sul lato secondario del trasformatore ad alta frequenza può anche adottare un metodo di rettifica sincrono per ridurre ulteriormente la perdita di caduta di tensione di rettifica e la generazione di calore, ma entrambi aumenteranno il costo. Pertanto, come il produttore afferra l'equilibrio tra prestazioni e costi e raggiunge le prestazioni più elevate in termini di costi è una questione degna di studio.2.3 Ridurre il riscaldamento di componenti magnetici come trasformatori ad alta frequenza e induttori di filtri Vari componenti magnetici sono indispensabilmente utilizzati negli alimentatori di commutazione ad alta frequenza, come i strozzatori nei filtri, Induttori del filtro di stoccaggio dell'energia, alimentatori isolati e trasformatori ad alta frequenza. Essi produrranno più o meno perdite di rame e di ferro durante il lavoro, e queste perdite sono emesse sotto forma di calore. Soprattutto per induttori e trasformatori, la corrente ad alta frequenza che scorre nelle bobine raddoppierà la perdita di rame dovuta all'effetto pelle, quindi la perdita causata dagli induttori e trasformatori diventa una parte non trascurabile. Pertanto, nella progettazione, più fili sottili smaltati dovrebbero essere utilizzati per l'avvolgimento parallelo, o fogli di rame ampi e sottili dovrebbero essere utilizzati per l'avvolgimento per ridurre l'influenza dell'effetto della pelle. Il nucleo magnetico è generalmente fatto di materiale ferrite di alta qualità, come il materiale magnetico TDK prodotto in Giappone. Nella scelta del modello dovrebbe essere lasciato un certo margine per evitare la saturazione magnetica.2.4 Ridurre il valore calorifico del carico falso Al fine di evitare l'aumento di tensione causato dallo stato di vuoto, gli alimentatori switching ad alta potenza sono spesso dotati di carichi fittizi-resistenze ad alta potenza. Ciò è particolarmente vero per gli alimentatori con unità PFC sorgente. Quando l'alimentazione di commutazione funziona, il carico fittizio deve passare una piccola quantità di corrente, che non solo ridurrà l'efficienza dell'alimentazione di commutazione, ma anche la sua generazione di calore è un fattore che influisce sulla stabilità termica dell'intera macchina. La posizione del carico fittizio sulla scheda stampata (PCB) è spesso molto vicina al condensatore elettrolitico utilizzato per il filtraggio in uscita e il condensatore elettrolitico è estremamente sensibile alla temperatura. Pertanto, è necessario ridurre il potere calorifico del carico fittizio. Un modo più fattibile è quello di progettare il carico manichino come metodo ad impedenza variabile. La dimensione dell'impedenza di carico del manichino è controllata rilevando la corrente di uscita dell'alimentatore di commutazione. Quando l'alimentazione elettrica è in un carico normale, il carico fittizio esce dallo stato di consumo corrente; quando non c'è carico, il carico fittizio consuma la corrente più grande. Ciò non influirà sulla stabilità dell'alimentazione elettrica a nessun carico, né ridurrà l'efficienza dell'alimentazione elettrica e genererà una grande quantità di calore inutile.3. Progettazione della dissipazione del calore 3.1 Il metodo di base della dissipazione del calore e il suo metodo di calcolo Ci sono tre modi di base di dissipazione del calore: conduzione del calore, convezione