PCB技術 - 高周波板スイッチング電源の熱設計解析

1.概要電子製品は通常、動作温度に厳しい要求がある。電源装置内部の温度上昇が大きすぎると、温度に敏感な半導体装置、電解コンデンサなどの部品が故障する恐れがある。温度が一定値を超えると、故障率は指数関数的に増加する。統計データによると、電子部品の信頼性は2°C上昇するごとに10%低下し、温度が50℃上昇した場合の寿命は、温度が25℃上昇した場合の寿命のわずか1/6である。そのため、電子機器は筐体全体と内部部品の温度上昇を制御する必要があります。これは電子機器の熱設計です。高出力加熱装置を備えた高周波板スイッチング電源にとって、温度はその信頼性に影響を与える最も重要な要素である。そのため、全体的な熱設計には厳しい要求があります。完全な熱設計には、熱源から発生する熱を制御する方法と、熱源から発生した熱をどのように消散させるか。最終的な目標は、電子機器が熱平衡に達した後の温度を許容範囲内に制御する方法である。

2.加熱制御設計スイッチング電源における主な加熱素子は、MOSFET、IGBT、GTR、SCRなどの半導体スイッチング管、超高速回復ダイオード、ショットキーダイオードなどの大電力ダイオード、高周波変圧器、フィルタインダクタンスなどの磁性素子、および擬似負荷などである。各加熱素子の発熱制御方法はそれぞれ異なっている。2.1電源スイッチを減らす発熱スイッチ管は高周波スイッチ電源の中で発熱が多い部品の一つである。その熱を下げることはスイッチチューブ自体の信頼性を高めるだけでなく、機械全体の温度を下げ、機械全体の効率と平均故障時間を高めることができる。（MTBF）。スイッチングチューブは正常に動作している場合、オンとオフの2つの状態にあり、発生した損失は2つの臨界状態による損失とオン状態による損失に細分化することができる。ここで、オン損失はスイッチング管自体のオン抵抗によって決定される。この損失は、低オン抵抗のスイッチングチューブを選択することによって低減することができる。MOSFETのオン抵抗はIGBTより大きいが、動作周波数が高いため、スイッチング電源設計の優先デバイスである。現在、IRが新たに発売したIRL 3713シリーズHEXFET（六角形電界効果トランジスタ）電力MOSFETは、これらのデバイスがより低いオン損失、ゲート電荷、スイッチング損失を持つように3 mのオン抵抗を実現している。米APT社にも似たような製品がある。スイッチング速度が速く、回復時間が短いデバイスを選択することで、オンとオフの2つの重要な状態での損失を減らすこともできます。しかし、より重要なのは、より良い制御方法とバッファリング技術を設計することで損失を減らすことです。スイッチング周波数が高い場合、この方法は利点を示すことができる。例えば、各種のソフトスイッチング技術は、スイッチングチューブをゼロ電圧およびゼロ電流状態でオンまたはオフにすることができ、したがって、これら2つの状態による損失を大幅に低減することができる。しかし、コストの観点から見ると、一部のメーカーは依然としてハードスイッチ技術を使用しており、各種のバッファ技術を通じてスイッチ管の損失を低減し、信頼性を高めることができる。2.2パワーダイオードの発熱を低減高周波スイッチ電源において、パワーダイオードは多くの応用があり、また、選択するタイプも異なります。入力50 Hzの交流を直流に整流するパワーダイオードとバッファ回路の高速回復ダイオードでは、通常の場合、損失を低減するためのより良い制御技術はなく、伝導電圧を使用するなど、高品質のデバイスしか選択できません。損失と熱を減らすために、より低いショットキーダイオードまたは超高速回復ダイオードは、より速いオフ速度とソフト回復を持っています。高周波変圧器の二次側の整流回路も同期整流方式を採用することができ、整流電圧降下損失と発熱をさらに低減することができるが、どちらもコストが増加する。そのため、メーカーが性能とコストのバランスをどのように把握し、最高価格比を実現するかは研究に値する問題である。2.3高周波変圧器やフィルタインダクタンスなどの磁性部品の発熱を減少させる。各種磁性部品は高周波スイッチング電源において、フィルタにおけるチョークコイルなどの不可または欠的である。エネルギー貯蔵フィルタインダクタ、隔離電源、高周波変圧器。それらは作業中に多かれ少なかれ銅損失と鉄損失を発生し、これらの損失は熱の形で放出される。特にインダクタとトランスにとっては、表皮効果によりコイルに流れる高周波電流が銅損失を倍にするため、インダクタとトランスによる損失は無視できない部分となる。そのため、設計においては、複数の薄いエナメル線を用いて並列巻線を行うか、広くて薄い銅片を用いて巻線を行い、表皮効果の影響を減らすべきである。磁気コアは通常、日本製のTDK磁性材料などの高品質のフェライト材料で作られている。磁気飽和を防止するために、型を選択する際には一定の余裕を残しておくべきである。2.4ダミー負荷の発熱量を下げる空荷状態による電圧上昇を避けるために、大電力スイッチング電源は常にダミー負荷高電力抵抗器を備えている。特に、ソースPFCユニットを有する電源についてはそうである。スイッチング電源が動作している場合、仮想負荷は少量の電流を通さなければならず、スイッチング電源の効率を低下させるだけでなく、その発熱も機械全体の熱安定性に影響する要素である。プリント基板（PCB）上のダミー負荷の位置は、通常、出力フィルタリングのための電解コンデンサに非常に近く、電解コンデンサは温度に非常に敏感である。そのため、アナログ負荷の熱値を下げる必要がある。より実行可能な方法は、仮想負荷を可変インピーダンス方法として設計することです。スイッチング電源の出力電流を検出することで擬似負荷インピーダンスの大きさを制御する。電源が正常な負荷にある場合、擬似負荷は電流消費状態から退出する、負荷がない場合、擬似負荷は最大の電流を消費する。これにより、アイドル時の電源の安定性に影響を与えることもなく、電源の効率を低下させ、不要な熱を大量に発生させることもありません。放熱設計3.1放熱の基本方法とその計算方法放熱には3つの基本方法がある：熱伝導、対流