PCB 기술 - 고주파판 스위치 전원의 열 설계 분석

1.소개 전자 제품은 일반적으로 작업 온도에 대한 엄격한 요구가 있습니다.전원 장치 내부 온도가 너무 올라가면 온도가 민감한 반도체 부품, 전해콘덴서 등의 부품이 고장날 수 있다.온도가 일정치를 초과하면 고장률이 기하급수적으로 증가한다.통계 데이터에 따르면 전자 부품의 신뢰성은 2 ° C 상승할 때마다 10% 감소합니다.온도가 50°C 상승할 때의 수명은 온도가 25°C 상승할 때의 수명의 1/6에 불과하다.따라서 전자 장치는 전체 섀시와 내부 부품의 온도 상승을 제어해야 합니다.이것은 전자 설비의 열 설계이다.고출력 가열 장치를 갖춘 고주파판 스위치 전원에 있어서 온도는 그 신뢰성에 영향을 주는 가장 중요한 요소이다.따라서 전체적인 열 설계에 대한 엄격한 요구가 있다.완전한 열 설계는 두 가지 측면을 포함한다: 어떻게 열원에서 발생하는 열을 제어할 것인가;어떻게 열원에서 발생하는 열을 분산시킵니까?최종 목표는 열 균형에 도달한 후 전자 장치의 온도를 허용 범위 내에서 제어하는 방법입니다.

2.가열 제어 설계 스위치 전원 중의 주요 가열 소자는 반도체 스위치 튜브 (예: MOSFET, IGBT, GTR, SCR 등), 고출력 다이오드 (예: 초고속 회복 다이오드, 쇼트키 다이오드 등), 고주파 변압기, 필터 센싱 등 자성 소자와 가짜 부하 등이다.가열 소자마다 발열 제어 방법은 다르다. 2.1 전원 스위치를 줄이는 발열 스위치 튜브는 고주파 스위치 전원에서 발열이 많은 부품 중 하나다.그 열을 낮추면 스위치관 자체의 신뢰성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 전체 기기의 온도를 낮출 수 있고, 전체 기기의 효율과 평균 무고장 시간을 높일 수 있다.（MTBF）。스위치 튜브는 정상적으로 작동할 때 도통과 차단 두 가지 상태에 있으며, 발생하는 손실은 두 가지 임계 상태로 인한 손실과 도통 상태로 인한 손실로 세분화할 수 있다.이 중 도통 손실은 스위치관 자체의 도통 저항에 의해 결정된다.이런 손실은 저전도 저항의 스위치관을 선택하여 줄일 수 있다.MOSFET는 IGBT보다 전도 저항이 크지만 작동 빈도가 더 높기 때문에 여전히 전원 스위치 설계의 기본 장치입니다.현재 IR에서 새로 출시한 IRL3713 시리즈 HEXFET (육각형장 효과 트랜지스터) 출력 MOSFET는 3m의 도통 저항을 실현하여 이들 부품이 도통 손실, 울타리 전하 및 스위치 손실을 더 낮출 수 있도록 했다.미국 APT사에도 비슷한 제품이 있다.스위치 속도가 더 빠르고 복구 시간이 더 짧은 부품을 선택하여 두 가지 핵심 상태의 도통과 차단 손실을 줄일 수 있습니다.그러나 더 중요한 것은 더 나은 제어 방법과 완충 기술을 설계하여 손실을 줄이는 것이다.스위치 주파수가 높을 때 이 방법은 장점을 나타낼 수 있다.예를 들어, 다양한 소프트 스위치 기술은 스위치 튜브를 0의 전압과 0의 전류 상태에서 전도하거나 꺼지게 하여 이 두 가지 상태로 인한 손실을 크게 줄일 수 있다.그러나 비용 측면에서 볼 때, 일부 제조업체는 여전히 다양한 유형의 완충 기술을 통해 스위치 튜브의 손실을 줄이고 신뢰성을 높일 수있는 하드 스위치 기술을 사용합니다. 2.2 고주파 스위치 전원에서 전력 다이오드의 발열을 줄이기 위해 전력 다이오드가 많이 사용됩니다.선택한 유형도 다릅니다.입력 50Hz AC 전류를 직류로 정류하는 전력 다이오드와 완충 회로의 빠른 복구 다이오드의 경우 정상적인 상황에서 손실을 줄이기 위한 더 나은 제어 기술은 없으며 전도 전압을 사용하는 등 고품질의 부품만 선택할 수 있습니다.더 낮은 쇼트키 다이오드 또는 초고속 복구 다이오드는 더 빠른 차단 속도와 소프트 복구를 통해 손실과 열을 줄일 수 있다.고주파 변압기 이차측의 정류 회로도 동기 정류 방식을 채택하여 정류 압력 감소 손실과 발열을 한층 더 낮출 수 있지만, 양자 모두 원가를 증가시킬 수 있다.따라서 제조업체가 성능과 비용 사이의 균형을 어떻게 파악하여 최고 수준의 가격 비율을 달성할 수 있을지는 연구할 만한 문제입니다. 2.3 고주파 변압기와 필터 센싱 등 자기 부품의 발열을 줄입니다. 각종 자기 부품은 고주파 스위치 전원에서 가능하거나 없어서는 안 됩니다. 예를 들어 필터의 컨투어링,에너지 저장 필터 센서, 격리 전원 및 고주파 변압기.그것들은 작업 과정에서 많든 적든 구리 손실과 철 손실이 발생하는데, 이러한 손실은 열량의 형식으로 발산된다.특히 센서와 변압기의 경우 피부로 가는 효과로 인해 코일에 흐르는 고주파 전류는 구리의 손실을 두 배로 증가시키기 때문에 센서와 변압기로 인한 손실은 무시할 수 없는 부분이 된다.따라서 디자인에서 여러 개의 얇은 에나멜 케이블을 병렬 링하거나 넓고 얇은 구리 조각을 사용하여 링하여 피부로 가는 효과의 영향을 줄여야 한다.코어는 일반적으로 일본에서 생산되는 TDK 자성 재료와 같은 고품질의 페로브스카이트 재료로 만들어집니다.모델 선택 시 자기 포화를 방지하기 위해 일정한 여유를 두어야 한다. 2.4 가짜 부하의 발열량을 낮춘다. 빈 부하 상태로 인한 전압 상승을 피하기 위해 고출력 스위치 전원에는 가짜 부하 고출력 저항기가 자주 장착된다.특히 소스 PFC 유닛이 있는 전원 공급 장치의 경우 더욱 그렇습니다.스위치 전원이 작동할 때 가상 부하는 반드시 소량의 전류를 통과해야 하는데, 이는 스위치 전원의 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 그 발열도 전체 기기의 열 안정성에 영향을 주는 요소이다.인쇄판 (PCB) 의 가짜 부하의 위치는 일반적으로 필터를 출력하는 데 사용되는 전해 콘덴서에 매우 가깝고 전해 콘덴서는 온도에 매우 민감합니다.따라서 아날로그 부하의 열 값을 낮출 필요가 있습니다.보다 효과적인 방법은 가상 로드를 가변 임피던스 방식으로 설계하는 것입니다.스위치 전원의 출력 전류를 감지하여 의사 부하 임피던스의 크기를 조정합니다.전원 공급 장치가 정상 부하일 때 의사 부하는 전류 소비 상태를 종료합니다.부하가 없을 때 위부하는 가장 큰 전류를 소모한다.이는 전원 공급 장치가 비어 있을 때 안정성에 영향을 주지 않으며 전원 공급 장치의 효율을 떨어뜨리고 불필요한 열을 많이 발생시키지 않습니다.방열 설계 3.1 방열의 기본 방법 및 계산 방법 방열에는 세 가지 기본 방식이 있습니다: 열전도, 대류