基于有限元軟件的開(kāi)關(guān)電源熱分析仿真

吳 錕，林宏翔*，李 輝，楊明亮，張旭燦

（1.惠州學(xué)院，廣州 惠州 516007；2.惠州市忠邦電子有限公司，廣州 惠州 516006）

開(kāi)關(guān)電源是一種體重輕，體積小，轉(zhuǎn)換效率高，更加省電的電源，但是也存在一些缺點(diǎn)，例如：輸出紋波比較大，有較大的電磁干擾，工作噪聲較大，功率元件溫度較高等，所以通常情況下開(kāi)關(guān)電源需要設(shè)計(jì)一套散熱系統(tǒng)[1]。由于高溫會(huì)導(dǎo)致絕緣性能退化，元器件損壞，材料熱老化，低熔點(diǎn)焊縫開(kāi)裂等諸多問(wèn)題，因此系統(tǒng)散熱是高功率開(kāi)關(guān)電源必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[1]。隨著科技的進(jìn)步，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的功率要求越來(lái)越高，需要具備更高的穩(wěn)定性、功率及效率，隨之帶來(lái)的就是元器件成本及測(cè)試成本的提升，因此開(kāi)關(guān)電源的有限元的熱分析仿真就十分有必要了。通過(guò)有限元軟件仿真，計(jì)算每個(gè)元件的溫度值，使得元器件能更為合理分布在PCB 上，降低開(kāi)關(guān)電源工作溫度及測(cè)試成本[2]。根據(jù)元器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，我們可以計(jì)算出相應(yīng)元器件的發(fā)熱情況，通過(guò)與有限元仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，不斷優(yōu)化有限元仿真的模型提高仿真的精度[3]。

現(xiàn)階段采用的計(jì)算開(kāi)關(guān)電源的方法主要是采用相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)計(jì)算出相應(yīng)的元器件發(fā)熱量或?qū)悠分苯舆M(jìn)行溫度測(cè)量[4]。對(duì)于第一種方案，計(jì)算過(guò)程繁雜且不能得到全系統(tǒng)熱分布情況。對(duì)于第二種方案，需要制備電源樣品，測(cè)試成本較高，研發(fā)周期較長(zhǎng)。將理論計(jì)算與有限元軟件仿真相結(jié)合，進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源熱分析，能大幅度減少計(jì)算量，提高計(jì)算精度。所以本文采用有限元軟件結(jié)合理論計(jì)算的方案對(duì)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)熱進(jìn)行熱分析。

1 150 W 開(kāi)關(guān)電源熱分析方案

本文采用常規(guī)元件產(chǎn)熱計(jì)算方式和有限元仿真聯(lián)合對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行熱分析[5]。首先確定主要發(fā)熱的元器件，對(duì)于常規(guī)的元器件進(jìn)行基礎(chǔ)發(fā)熱計(jì)算，對(duì)于復(fù)雜度高的元器件采用有限元軟件進(jìn)行仿真。再將仿真的元器件放入到建立好的開(kāi)關(guān)電源外殼模型內(nèi)，仿真出整個(gè)環(huán)境的產(chǎn)熱情況，得出開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)熱分布。通過(guò)產(chǎn)熱分布就可以得出元器件擺放位置是否合理，以及元器件能否正常工作。系統(tǒng)內(nèi)部整體布局如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)部整體布局

2 150 W 開(kāi)關(guān)電源發(fā)熱分析

該電源采用220 V 輸入電壓，輸出為24 V，最大輸出電流為6.25 A。由于當(dāng)功率接近150 W 時(shí)不加散熱殼，無(wú)法測(cè)試相關(guān)元器件的溫度，所以采用24 V，3 A 環(huán)境進(jìn)行測(cè)試與仿真。器件的發(fā)熱來(lái)自于器件本身的損耗，所以發(fā)熱嚴(yán)重的為大功率器件：MOS 管、肖特基二極管、整流橋和變壓器，而其他的IC 和電阻由于本身的功率不大，所以發(fā)熱量較大功率器件可忽略不計(jì)，本文研究這幾種大功率元器件產(chǎn)熱的相互作用，得出開(kāi)關(guān)電源各元件的發(fā)熱情況和工作環(huán)境熱分布情況，進(jìn)而合理地進(jìn)行元件選型和優(yōu)化布局。

3 發(fā)熱元器件的溫升計(jì)算分析

MOS 管相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MOS 管相關(guān)參數(shù)

MOS 管的損耗主要是開(kāi)通和關(guān)閉的過(guò)程中，電壓和電流不為0，具有一定的漏電流和電壓而且有一定的延時(shí)特性，而這個(gè)特性就會(huì)產(chǎn)生損耗[6]。（柵極驅(qū)動(dòng)損耗這里暫不考慮）下面是導(dǎo)通損耗的計(jì)算過(guò)程[1]：

當(dāng)輸出I0=3.6 A 時(shí)，IRMS=0.86 A，Pcond=I2RMS*Rdsw=0.259 W。

T 為總溫度，Tb為環(huán)境溫度，Pcond為導(dǎo)通損耗，Pturn為開(kāi)關(guān)損耗。

開(kāi)關(guān)損耗分為開(kāi)到關(guān)之間的損耗和關(guān)到開(kāi)之間的損耗，由于將MOS 管導(dǎo)通曲線(xiàn)看成是近似線(xiàn)性，折算成面積功率，將積分變?yōu)?.5 的系數(shù)可得出[7]：

選取環(huán)境溫度Tb為28℃，最后計(jì)算實(shí)際溫升：

肖特基二極管產(chǎn)生的損耗由于導(dǎo)通的過(guò)程中存在正向壓降會(huì)產(chǎn)生功率損耗，在截止過(guò)程中同樣也會(huì)有漏電流產(chǎn)生，所以也會(huì)有一定的關(guān)斷損耗，使用到的參數(shù)VF=0.9 V，Irp=1 mA，Rθja=50°C/W；以下是損耗的計(jì)算過(guò)程[1]。

導(dǎo)通損耗：

式中的VF為正向壓降，IF為正向電流。

截止損耗（該處的占空比D 實(shí)測(cè)為0.625）：

式中的VR為反向電壓，IR為反向漏電流，D 為占空比。

式中的Vfp為正向峰值電壓，Ifp為正向峰值電流，Vrp為反向峰值電壓，tfr為正向恢復(fù)時(shí)間，f 為肖特基開(kāi)關(guān)頻率，由于tfr的時(shí)間很短，截止損耗和開(kāi)關(guān)損耗可忽略，則可知肖特基二極管產(chǎn)生的溫升為：

式中的Rθja為肖特基二極管的熱阻。

整流橋的功率損耗主要在正向壓降處，反向電流只有5 uA，可以忽略，它的正向?qū)妷篤f=1 V，熱阻Rθja=26°C/W。

根據(jù)公式：

式中的Vf為正向壓降，Rθja為整流橋的熱阻。

變壓器的損耗由銅損耗和鐵損耗構(gòu)成，鐵耗是磁性材料中由于存在交變或脈動(dòng)磁場(chǎng)而引起的功率損耗（即會(huì)產(chǎn)生渦流產(chǎn)生熱量），一般來(lái)說(shuō)鐵損耗會(huì)占電感損耗的10%~30%，銅損是繞組電阻會(huì)發(fā)熱而導(dǎo)致?lián)p耗[1]，由于變壓器的損耗計(jì)算方式非常復(fù)雜，所以這里采用有限元軟件的物理場(chǎng)仿真解決銅損和鐵損問(wèn)題[8]。我們通過(guò)有限元軟件建立模型，添加電磁場(chǎng)，電路模塊，變壓器相應(yīng)材料以及固體傳熱模塊，由于電路模塊比較復(fù)雜，這里采用生成脈沖電源模型來(lái)代替MOS 產(chǎn)生的PWM 波，然后通過(guò)多物理場(chǎng)分析，獲取電磁熱和基本的銅損；由于有限元軟件無(wú)法計(jì)算脈沖電源的磁損耗的熱穩(wěn)態(tài)，這里采用先求解一個(gè)周期內(nèi)的磁損耗，再通過(guò)時(shí)域到頻域進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)而求解出穩(wěn)態(tài)的磁損耗。最終仿真出的變壓器上最大溫度為61.516 5℃。變壓器仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 變壓器仿真結(jié)果

最后將上述所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入到有限元軟件中，建立整個(gè)開(kāi)關(guān)電源模型，添加電阻、電容等材料，選擇固體傳熱模塊和自然對(duì)流模型，最終解算出開(kāi)關(guān)電源內(nèi)的熱分布情況。

根據(jù)有限元仿真的結(jié)果，我們可以得到各個(gè)元器件的溫度值見(jiàn)表2。

表2 仿真及實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)

對(duì)于整流橋和變壓器，實(shí)測(cè)溫度與有限元仿真結(jié)果較為接近，其仿真精度達(dá)到相應(yīng)的要求。然而對(duì)于MOS 管和肖特基二極管，實(shí)測(cè)溫度和有限元仿真溫度具有較大的誤差。其原因在于有限元仿真軟件中，元件處于特定密閉的電源結(jié)構(gòu)環(huán)境中，其散熱環(huán)境與開(kāi)放自由空間有所不同，而元件手冊(cè)中的熱阻值多為在開(kāi)放自由空間的平均值，因此兩者的熱阻值存在一定的偏差。因此我們要對(duì)MOS 管和肖特基二極管的熱阻值進(jìn)行進(jìn)一步的修正。

通過(guò)進(jìn)行以上測(cè)試，我們對(duì)模型中的熱阻進(jìn)行計(jì)算，獲取了當(dāng)輸出電流為3.6 A，輸出電壓為24 V 時(shí)，每個(gè)元器件熱阻的修正值見(jiàn)表3。

表3 修正后的熱阻值

采用修正后的熱阻值再次進(jìn)行有限元仿真與實(shí)測(cè)溫度非常接近。修正熱阻值后的系統(tǒng)熱分布有限元仿真結(jié)果及實(shí)測(cè)溫度分布如圖3 所示。修正模型后的溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 修正模型后的溫度數(shù)據(jù)

圖3 修正熱阻值后的系統(tǒng)熱分布有限元仿真結(jié)果及實(shí)測(cè)溫度分布圖

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)模型參數(shù)修正的有限元熱仿真已具有較好的仿真精度，對(duì)比有限元熱仿真和實(shí)測(cè)溫度結(jié)果，兩者的溫度已十分接近，誤差控制在5%以?xún)?nèi)。在此基礎(chǔ)上，我們建立了各個(gè)常用元件的熱仿真數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)不同型號(hào)的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，可以從熱仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用對(duì)應(yīng)的元器件，達(dá)到快速仿真的結(jié)果。該方案可廣泛推廣至不同型號(hào)的開(kāi)關(guān)電源，能夠有效降低測(cè)試成本、縮短開(kāi)發(fā)周期，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)具有一定的幫助。