開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)有限元仿真分析

李增利

1.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710071 2.陜西航空電氣有限責(zé)任公司，陜西 興平 713100

0 引言

開關(guān)電源被廣泛的應(yīng)用于國防軍事，工業(yè)自動(dòng)化，家用電氣等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)中。隨著開關(guān)電源逐步向小型化、高頻化、高功率密度發(fā)展，用戶對(duì)開關(guān)電源的可靠性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。溫升是影響開關(guān)電源可靠性的關(guān)鍵性因素，如何將熱量高效快速的導(dǎo)出，成為電源工程師的首要任務(wù)[1]。熱設(shè)計(jì)的好壞直接影響著開關(guān)電源的可靠性和壽命，因而熱設(shè)計(jì)是開關(guān)電源可靠性設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

本文以一個(gè)工作于密閉電源盒的開關(guān)電源為例，利用有限元軟件ANSYS對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，來提高整個(gè)開關(guān)電源的散熱性能，使得開關(guān)電源的主要發(fā)熱器件的溫度控制在允許的范圍內(nèi)，保證開關(guān)電源安全可靠的運(yùn)行。

1 開關(guān)電源的熱分析

本文中開關(guān)電源為反激式，具有有源功率因數(shù)校正(APFC)環(huán)節(jié)，主要發(fā)熱元件有開關(guān)管，整流二極管，大功率電阻，變壓器與電感等[2]。

首先利用ANSYS分析工作在空氣中開關(guān)電源的溫度分布情況。

1.1 仿真邊界條件和載荷說明

1）環(huán)境溫度：25℃；

2）對(duì)流系數(shù)：6W/m·K；

3）載荷：器件的生熱率（P為器件的發(fā)熱功率，V是器件等效熱源的體積）。

1.2 模型的簡化處理

1）對(duì)于簡化線圈模型來說，由于線圈在實(shí)際中是由一圈一圈的漆包線繞制的，而且這樣的繞線也不規(guī)則，在模型建立中使用單一圓柱體來代替多圈的導(dǎo)體；

2）芯片熱源等效為長方體。

1.3 網(wǎng)格模型

模型中有些部分的尺寸微小，如MOSFET的等效熱源，尺寸為13.8×8×0.2mm3。選用ANSYS軟件中的SOLIDTO單元.通過設(shè)置MSHKEY和MSHAPE兩個(gè)選項(xiàng)，完成對(duì)單元形狀的控制。在建立網(wǎng)格處理不規(guī)則體的時(shí)候，特別是連接處理后的非六面體的情況，采用退化的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以通過設(shè)定ESIZE，LESIZE的大小來決定單元網(wǎng)格的大小，則模型網(wǎng)格單元數(shù)目為324532。

1.4 仿真結(jié)果分析

表1中是工作在空氣中開關(guān)電源的溫度分布情況。利用紅外熱像儀測(cè)得的溫度，與仿真的溫度值對(duì)照，相對(duì)誤差較小，具有很好的準(zhǔn)確性。實(shí)際上，此開關(guān)電源工作在一個(gè)封閉的電源盒內(nèi)，內(nèi)部的空氣流動(dòng)速度很慢，在理想狀態(tài)下，認(rèn)為內(nèi)部空氣處于絕熱狀態(tài)，幾乎不導(dǎo)熱。因而各器件的實(shí)際工作時(shí)溫度會(huì)更高。因此。為保證開關(guān)電源安全可靠的運(yùn)行。必須采取有效的散熱措施，迅速的將電源盤內(nèi)部的熱量導(dǎo)出，降低主要熱源的溫度。

表1 仿真分析與試驗(yàn)測(cè)量溫度對(duì)照表

2 開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)分析

如何尋找低熱阻通路來將熱最迅速導(dǎo)出是設(shè)計(jì)開關(guān)電源熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，因?yàn)橹挥虚_關(guān)電源器件的結(jié)點(diǎn)溫度降低后，這樣才能避免高溫而導(dǎo)致開關(guān)電源可靠性下降的問題。此開關(guān)電源工作在一個(gè)封閉的電源盤內(nèi)，由于工作環(huán)境特殊，不允許加風(fēng)扇，只能采取自然散熱的措施。其熱設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括電源盤的內(nèi)部熱設(shè)汁和電源盤的外部熱設(shè)計(jì)。

通過設(shè)計(jì)將開關(guān)電源的前后級(jí)MOSFET，后級(jí)二級(jí)管，整流橋的溫度控制在60℃以內(nèi)，變壓器的溫度低于65℃。

2.1 電源盒的內(nèi)部熱設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的電源盒內(nèi)部熱設(shè)計(jì)主要是調(diào)整器件布局和改變內(nèi)部介質(zhì)。

1）電路布局的熱設(shè)計(jì)

密封電源盤內(nèi)熱源的主要散熱途徑有以下幾個(gè)方面：首先，通過熱源經(jīng)盒內(nèi)介質(zhì)向殼體傳導(dǎo)的熱量，可以通過對(duì)流和輻射在殼體的表面將熱量發(fā)散到大氣中；其次，通過盒體內(nèi)部的介質(zhì)可以把熱量傳遞到其他部件上，這樣就可以形成溫度的疊加效應(yīng)。

所以，在設(shè)計(jì)過程中，在考慮不影響電路性能的情況下，應(yīng)該使得發(fā)熱部件盡可能分散，且在電路板邊緣分布，另外，固定在電源盒的導(dǎo)熱鋁板應(yīng)該與其相連。電路板的后邊緣則應(yīng)該放置前后級(jí)MOSFET和整流橋，與電源盒的側(cè)壁相連靠的是2mm的導(dǎo)熱鋁板；而電路板的前側(cè)邊緣放置后級(jí)二極管，同樣，電源盒的側(cè)壁相連靠的是同樣厚度的導(dǎo)熱鋁板

表2 開關(guān)電源電路布局調(diào)整前后溫度對(duì)照表/℃

表2是開關(guān)電源電路靠局調(diào)整前后的溫度對(duì)照表，通過表2可以得出如下結(jié)論：

首先，可以看出前后級(jí)的MOSFET、整流橋和后級(jí)二極管溫度都有明顯的降低變化，其主要的原因是因?yàn)橛捎诘蜔嶙柰?導(dǎo)熱鋁板的存在，使得電路布局為這些器件與外殼之間存在這樣一種合理的通路，這樣就可以使得器件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到電源盒體，從而溫度梯度也得以降低。

其次，對(duì)于變壓器來說，溫度變化很小。通過內(nèi)部空氣傳導(dǎo)到電源盒的變壓器的熱量，在加上空氣的熱阻很大的原因，這樣可以認(rèn)為在密閉條件較好的情況下的絕熱狀態(tài)。同時(shí)，最高結(jié)點(diǎn)溫度和環(huán)境溫度梯度也很大，這樣來說對(duì)于變壓器溫度沒有明顯的降低。

變壓器的溫度變化很小。這是因?yàn)樽儔浩鞯臒崃恐饕ㄟ^內(nèi)部空氣傳導(dǎo)到電源盒，而空氣的熱阻很大，在密閉條件很好的情況下，可以認(rèn)為處于絕熱狀態(tài)。變壓器的最高結(jié)點(diǎn)溫度與環(huán)境的溫度梯度很大，導(dǎo)致溫度沒有明顯的降低。所以盡管電路布局的調(diào)整改善了開關(guān)電源的溫度分布情況， 有些器件的還存在較高的溫度梯度，無法滿足安全可靠運(yùn)行的要求。

2）電源盒內(nèi)部介質(zhì)的熱設(shè)計(jì)

熱量主要以傳導(dǎo)方式由內(nèi)部器件傳到電源盒，這一點(diǎn)可以從前面的電源盒內(nèi)熱源的散熱途徑獲得，經(jīng)過對(duì)流換熱的方式散發(fā)到空氣中。根據(jù)傳導(dǎo)散熱的原理，內(nèi)部介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以看做是影響電源盒內(nèi)部溫度梯度的主要因素，其中，由于介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)與內(nèi)部熱源的溫度梯度成反比的原因，說明了質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)越大，內(nèi)部器件的溫度梯度就越小，熱源的結(jié)點(diǎn)溫度就越低。

根據(jù)開關(guān)電源主要器件溫度與內(nèi)部介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線可以得出如下的結(jié)論：

（1）器件的溫度和內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)變化成反比，并且基本上所有器件最終趨于同一溫度。

（2）變壓器的溫度曲線存在一定區(qū)別，表現(xiàn)在介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/m·K時(shí)有一定的上升，這可能是因?yàn)樽儔浩鞯臏囟鹊陀谄渌麩嵩吹臏囟龋切枰⒁鉄崃烤哂袕臏囟雀叩牧飨驕囟鹊臀矬w的規(guī)律，這樣由于變壓器溫度相對(duì)較低時(shí)，當(dāng)存在其他熱源的影響，變壓器溫度也是可以理解的。

2.2 電源盒的外部熱設(shè)計(jì)

電源盒的壁厚和殼體表面肋片的設(shè)計(jì)構(gòu)成了電源盒的外部熱設(shè)計(jì)，需要注意，其表面的散熱方式為對(duì)流和輻射，這樣，根據(jù)流散熱的原理，表面散熱面積則是影響散熱的主要因素，其中，電源盒的表面散熱面積與外殼肋片的高度影響直接相關(guān)。

開關(guān)電源的傳導(dǎo)散熱主要受到電源盒的壁厚的影響，同時(shí)，電源盒表面的對(duì)流散熱則受到外殼的肋片高度影響。因此，對(duì)于多熱源的封閉盒體來說，在限定電源盒尺的條件下，外殼的肋片高度對(duì)于散熱的影響一般大于壁厚的影響，所以對(duì)于封閉盒體來說，主要的散熱形式為表面的對(duì)流散熱，這樣能有效的散發(fā)熱量，降低盒體內(nèi)部器件的結(jié)點(diǎn)溫度。

所以根據(jù)上述結(jié)果分析可知，對(duì)于電源熱設(shè)計(jì)中需要采用內(nèi)部灌膠，而對(duì)于主要發(fā)熱器件來說則需要通過導(dǎo)熱鋁板與電源盒外殼相連，同時(shí)采取電源盒外殼加肋片的綜合散熱措施，這樣可以有效控制開關(guān)電源溫度，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文開共電源因其工作環(huán)境的要求，限制了散熱措施的選擇。在只能采取自然散熱措施，且功耗很大，電源盒的尺寸和重量受到嚴(yán)格限制的條件下，分別對(duì)電路板和電源盒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)，尋找一種有效的散熱措施，降低了主要器件的溫度，提高開關(guān)電源的可靠性，延長了壽命。

[1]余明楊，蔣新華，王莉，等.開關(guān)電源的建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(2).

[2]姬海寧，蘭中文，張懷武，等.基于ANSYS的開關(guān)電源變壓器熱模擬研究[J].磁性材料及器件，2006，37(4).