Cinq points élaborés sur la solution thermique de l'alimentation à découpage

Nous savons tous qu'une grande quantité de chaleur sera générée lorsque l'alimentation à découpage fonctionne. Si la chaleur ne peut pas être évacuée à temps et maintenue à un niveau raisonnable, le fonctionnement normal de l'alimentation à découpage sera affecté et l'alimentation à découpage sera endommagée dans les cas graves. Afin d'améliorer la fiabilité de l'alimentation à découpage, je vais partager avec vous plusieurs solutions de refroidissement spécifiques pour l'alimentation à découpage aujourd'hui.

Les alimentations à découpage ont été largement utilisées dans divers types d'équipements électroniques actuels, et leur densité de puissance unitaire s'améliore constamment. La densité de puissance élevée est définie à partir de 25 w/in3 en 1991, 36 w/in3 en 1994, 52 w/in3 en 1999 et 96 w/in3 en 2001. Afin d'améliorer la fiabilité de l'alimentation à découpage, la conception thermique est un élément essentiel et important. dans la conception de l'alimentation à découpage.

Si l'élévation de température à l'intérieur de l'alimentation à découpage est trop élevée, cela entraînera la défaillance des dispositifs à semi-conducteurs sensibles à la température, des condensateurs électrolytiques et d'autres composants. Lorsque la température dépasse une certaine valeur, le taux de défaillance augmente de façon exponentielle. Les statistiques montrent que la fiabilité des composants électroniques diminue de 10 % pour chaque augmentation de température de 2 degrés ; l'espérance de vie à une élévation de température de 50 degrés n'est que de 1/6 de celle à une élévation de température de 25 degrés. En plus des contraintes électriques, la température est le facteur le plus important affectant la fiabilité des alimentations à découpage. Les alimentations à découpage haute fréquence ont des éléments chauffants haute puissance, et la température est l'un des facteurs les plus importants affectant leur fiabilité.

Une conception thermique complète d'une alimentation à découpage comprend deux aspects : l'un est de savoir comment contrôler la génération de chaleur de la source de chaleur ; l'autre est de savoir comment dissiper la chaleur générée par la source de chaleur, de sorte que l'élévation de température de l'alimentation à découpage soit contrôlée dans la plage autorisée pour assurer la fiabilité des alimentations à découpage.

1. La conception du contrôle de la valeur de génération de chaleur

Les principaux composants chauffants de l'alimentation à découpage sont les tubes de commutation à semi-conducteurs, les diodes de puissance, les transformateurs haute fréquence, les inducteurs de filtrage, etc. Différents composants ont différentes méthodes de contrôle de la génération de chaleur. Le tube de puissance est l'un des dispositifs avec une grande génération de chaleur dans l'alimentation à découpage haute fréquence. La réduction de sa génération de chaleur peut non seulement améliorer la fiabilité du tube de puissance, mais également améliorer la fiabilité de l'alimentation à découpage et améliorer le temps moyen entre les pannes (MTBF). ). La génération de chaleur du tube de commutation est causée par la perte, et la perte du tube de commutation se compose de deux parties : la perte de processus de commutation et la perte à l'état passant. Par conséquent, les mesures suivantes peuvent être prises pour contrôler et réduire la chaleur.

1. Réduire la perte à l'état passant La perte à l'état passant peut être réduite en sélectionnant un interrupteur avec une faible résistance à l'état passant.

2. La perte de commutation est causée par la taille de la charge de grille et le temps de commutation. Pour réduire la perte de commutation, un appareil avec une vitesse de commutation plus rapide et un temps de récupération plus court peut être sélectionné pour réduire la perte de commutation.

3. Il est plus important de réduire les pertes en concevant de meilleures méthodes de contrôle et une technologie tampon. Par exemple, la technologie de commutation douce peut réduire considérablement cette perte.

4. Réduisez la génération de chaleur de la diode de puissance. Généralement, il n'y a pas de meilleure technologie de contrôle pour réduire la perte du redresseur CA et de la diode d'amortissement. La perte peut être réduite en sélectionnant une diode de haute qualité.

5. Pour le redressement du côté secondaire du transformateur, une technologie de redressement synchrone plus efficace peut être sélectionnée pour réduire la perte.

6. Pour la perte causée par les matériaux magnétiques à haute fréquence, l'effet de peau doit être évité autant que possible. Pour l'influence causée par l'effet de peau, la méthode d'enroulement de plusieurs brins de fils minces émaillés en parallèle peut être utilisée pour résoudre le problème.

2, la conception thermique de l'alimentation à découpage

Afin de dissiper la chaleur du dispositif de chauffage dès que possible, la conception de dissipation thermique de l'alimentation à découpage est généralement considérée sous les aspects suivants : radiateur, ventilateur de refroidissement, circuit imprimé métallique, feuille thermoconductrice isolante, etc. conception réelle, il est nécessaire d'appliquer intégralement les méthodes ci-dessus à la conception de l'alimentation en fonction des exigences du client et du produit lui-même et du meilleur rapport coût-efficacité.

1. Conception du dissipateur thermique des dispositifs semi-conducteurs

Étant donné que la chaleur générée par les dispositifs à semi-conducteurs est dominante dans les alimentations à découpage, la chaleur provient principalement des pertes d'activation, de désactivation et de conduction des dispositifs à semi-conducteurs. En termes de topologie de circuit, l'utilisation de la topologie de conversion à commutation par zéro pour générer une résonance de sorte que la tension ou le courant dans le circuit est activé ou désactivé au passage par zéro peut minimiser la perte de commutation, mais elle ne peut pas éliminer complètement la perte de la tube de commutation, donc l'utilisation de la dissipation thermique L'appareil est la méthode commune et principale.

Principes de base de la sélection du dissipateur de chaleur à semi-conducteur de commutateur de puissance

(1) Base de base pour la sélection du dissipateur thermique

Le choix du dissipateur thermique pour les dispositifs à semi-conducteurs de puissance doit être entièrement considéré en fonction de la puissance dissipée du dispositif, de la résistance thermique jonction-boîtier du dispositif, de la résistance thermique de contact et de la température du fluide de refroidissement.

(2) Exigences relatives à la force de fixation entre l'appareil et le dissipateur thermique

Afin d'avoir un bon contact thermique entre l'appareil et le dissipateur thermique après assemblage, il doit avoir une force d'installation ou un couple d'installation approprié. Et dans les applications pratiques, une couche de matériau thermoconducteur est généralement ajoutée entre l'appareil et le dissipateur thermique pour améliorer son efficacité de transfert de chaleur et réduire la résistance thermique entre les deux.

(3) Conditions de refroidissement nominales du radiateur

Radiateur auto-refroidissant: la température ambiante ne doit de préférence pas être supérieure à 40 degrés, les ailettes du radiateur doivent être disposées verticalement lors de l'installation et les faces d'extrémité supérieure et inférieure ne doivent pas être bloquées, de sorte qu'il y ait un bon environnement et canal pour naturel convection d'air autour du radiateur.

Radiateur refroidi par air : la température de l'air d'entrée est contrôlée en dessous de 40 degrés et la vitesse du vent à l'extrémité d'entrée est de préférence de 6 m/s.

Radiateur de refroidissement par eau : la température de l'eau d'entrée n'est pas supérieure à 35 degrés. Le débit d'eau est déterminé en fonction du besoin total en chaleur pour la dissipation de la chaleur et de la différence de température de conception entre l'eau d'entrée et de sortie.

(4) Examen complet de la sélection des radiateurs

La sélection des radiateurs doit tenir compte de manière exhaustive de la plage de capacité de dissipation thermique, de la méthode de refroidissement, des paramètres techniques et des caractéristiques structurelles du radiateur. Pour un appareil uniquement à partir des paramètres techniques, il peut y avoir deux ou trois radiateurs pouvant répondre aux exigences, mais il doit être combiné avec le refroidissement et l'installation. , l'interchangeabilité générale et l'économie sont sélectionnées de manière exhaustive.

2. Refroidissement par air naturel du ventilateur et refroidissement par air forcé

Dans le processus de conception réel de l'alimentation à découpage, deux formes de refroidissement par air naturel et de refroidissement par air forcé par ventilateur sont généralement utilisées. Lors de l'installation du dissipateur de chaleur naturel refroidi par air, les lames du dissipateur de chaleur doivent être placées verticalement vers le haut. Si possible, plusieurs trous de ventilation peuvent être percés autour de la position d'installation du dissipateur thermique sur le PCB pour faciliter la convection de l'air.

Le refroidissement par air forcé utilise un ventilateur pour forcer la convection de l'air. Par conséquent, dans la conception du conduit d'air, la direction axiale des pales du dissipateur thermique doit être cohérente avec la direction d'échappement du ventilateur. Afin d'avoir un bon effet de ventilation, les appareils avec une plus grande dissipation thermique doivent être plus proches Ventilateur d'extraction, dans le cas d'un ventilateur d'extraction, la résistance thermique du dissipateur thermique est indiquée dans le tableau ci-dessous :

4. PCB métallique

Avec la miniaturisation des alimentations à découpage, les composants montés en surface sont largement utilisés dans les produits réels, et il est actuellement difficile d'installer des dissipateurs thermiques sur les dispositifs d'alimentation. À l'heure actuelle, pour surmonter ce problème, le PCB métallique est principalement utilisé comme support de dispositifs d'alimentation, comprenant principalement des stratifiés plaqués de cuivre à base d'aluminium et des stratifiés plaqués de cuivre à base de fer. Il y a un autre circuit imprimé à noyau de cuivre. La couche intermédiaire du substrat est une couche d'isolation en plaque de cuivre, qui adopte une feuille de liaison en tissu de fibre de verre époxy à haute conductivité thermique ou une résine époxy à haute conductivité thermique. Il peut monter des composants smd des deux côtés, et des composants smd haute puissance peuvent être soudés directement sur le circuit imprimé métallique et utiliser la plaque métallique dans le circuit imprimé métallique pour dissiper la chaleur.

5. Disposition des éléments chauffants

Les principaux éléments chauffants de l'alimentation à découpage sont les semi-conducteurs haute puissance et leurs radiateurs, les transformateurs de conversion de puissance et les résistances haute puissance. L'exigence de base pour la disposition des éléments chauffants est de les disposer du plus petit au plus grand selon le degré de génération de chaleur. Plus le pouvoir calorifique est petit, plus la direction du vent du conduit d'air de l'alimentation à découpage est élevée, plus l'appareil avec le pouvoir calorifique le plus élevé est proche de l'échappement. ventilateur.

Afin d'améliorer l'efficacité de la production, plusieurs dispositifs d'alimentation sont souvent fixés sur le même grand dissipateur thermique. À ce stade, le dissipateur thermique doit être placé aussi près que possible du bord du PCB. Cependant, il doit y avoir au moins une distance de plus de 1 cm de la coque ou d'autres parties de l'alimentation à découpage. S'il y a plusieurs grands dissipateurs thermiques sur une carte de circuit imprimé, ils doivent être parallèles les uns aux autres et parallèles à la direction du vent du conduit d'air. Dans la direction verticale, les dispositifs à faible génération de chaleur sont disposés dans la couche la plus basse et les dispositifs à forte génération de chaleur sont disposés dans les couches supérieures. Les composants générant de la chaleur doivent être placés aussi loin que possible des composants sensibles à la température, tels que les condensateurs électrolytiques, sur le circuit imprimé.

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