电源转换器的散热设计.doc

混合式DC-DC电源转换器的散热设计 山姆.伍德 VPT工程部副总裁 斯蒂芬.巴特勒 VPT机械工程师 引言 混合式DC-DC转换器，如VPT DV系列产品通常被定级在整个军事级温度范围-55℃到+125℃，只要功率耗散和温升被合理地设定，转换器就可以在这个温度范围内以全额功率运行。DC-DC电源转换器的效率永远低于100%，因此输入功率总有一定比例的浪费。这些被浪费的功率以热量的形式流失，同时会导致DC-DC转换器的温度上升而高于周围系统温度。在系统机械和散热设计时必须考虑DC-DC转换器的温升以保证转换器不会超过最大额定工作温度。 混合式封装的特征 混合式封装技术采用厚膜导体，裸露半导体压膜和高热导率材料实现高温运行。典型混合式封装示意图如图1所示。在它的基本结构中，裸露硅压膜被固定在一个陶瓷基片上，一般是（Alumina），这个基片则被固定在金属基材上，通常是钢铁或铁镍钴合金.功率在半导体压膜处耗散，这有可能是一个集成电路（IC），功率晶体管或者功率整流管。压膜具有一个最大的半导体结点工作温度，典型温度为150℃或175℃，如制造商所列出的。 混合结构中的半导体结温由下面公式确定： 是混合结构的管壳温度； 是结点到管壳的温升；是压膜处的功率耗散；是从结点到管壳的热阻。是所有中间热阻的总和，在这个器件中包括陶瓷基片，附属材料和管壳本身。 热阻的计算 任何材料的热阻可以根据以下公式计算： 是垂直于热流方向的横截面面积，是热流传导的距离，是材料的热导率。举个例子，一个高，尺寸为的铝散热器，可以被用于一个侧边引线混合结构下，其热阻： 铝的热导率为。根据（2）式，通过这个铝方块的功率耗散的每一瓦都会产生0.028℃的温升。 DC-DC转换器的应用 根据图1，显而易见，混合器件的散热路径全部通过包装的底部。工作温度会被明确说明而且必须在管壳的底层表面测量。盖子提供非常小的热量传递路径。任何在盖子上测量得到的温度都具有不精确的结果，任何加在盖子上的散热器都具有很小的影响。因此，系统散热设计必须考虑穿过包装底层的主散热路径。 由于内部结构的功耗和配件的热阻，管壳温度总是要稍稍高于散热器温度或环境温度。管壳温度不可以被假定与散热器温度或环境温度相等。这种错误的假定是产生许多系统散热问题的根源。合理的系统设计将会容许高的系统温度，甚至超过100℃，但主要的混合组件温度仍低于12℃。 如果混合器件的管壳被保持低于+125℃，则内部半导体结温会处在安全级别内，一般在130℃和140℃之间，仍低于它们的最大额定值。如果减少混合器件的输出功率，那么可能出现的情况是最大可允许管壳温度会有所增加，而无须增加内部结温。细节问题请咨询制造商。 尽管混合式DC-DC转换器可在高达+125℃的温度条件下工作，但是可靠性可以通过在较低管壳温度下运行转换器而得以提高。每个电子元件都有一个故障率，这个故障率从理论上来讲与它的工作温度有关。根据MIL-HDBK-217 的分布式计算，每降低混合组件的工作温度5℃会导致平均故障间隔时间增加10%~20%。一般来说，系统设计要尽量降低热阻和最小化DC-DC转换器和系统环境之间的温升。 合理的安装 DV系列DC-DC转换器主要被用于那些传热的主要方式为传导的场合。热分析过程中常常忽视了任何的辐射或对流冷却。低功率或高效率混合组件通常是无散热器的安装形式并且依赖印刷电路板来散热。另一方面，较高功率混合组件一般要求一个连接到固定散热器的低的热阻，如系统底盘。 铝是典型的用于散热器或热扩散器的材料，由于其具有高热导率，轻重量以及易于加工的特点。在混合器件和散热器的安装界面处可用耐热传导性的空隙填充物。这种空隙填充物一般是一个散热焊盘，散热润滑脂或黏合剂。它可以填充界面处的任何不规则空隙，并且降低交界面的的热阻。这些材料可从许多制造商处获得，同时获得多个参数：厚度，硬度，介质击穿，黏合，除气等等。 为保证良好的热传导率，DC-DC转换器应牢固地安装在散热器上。我们推荐法兰盘封装，黏合剂或固定弓形夹的方式来达到最好的性能。一些空隙填充物材料要求有足够的安装压力以保持良好的散热性能。如果要求一个良好的散热界面，仅有与管脚的焊接连接通常是不够的。 确定管壳温度 混合器件的工作温度必须通过分析和测量来验证。对于设计目的而言，工作温度可以利用计算机化有限元分析方法或一个简单的热阻模型来计算。实际系统中，安装在混合器件底板上的热电耦，是一个验证的好方法但一般必须等到研发周期的晚期。在整个系统散热模型研制完成之前，初步的热阻计算，虽然是大致估计