开关电源功率器件热设计
开关电源发展到今天，从以前的线性电源，相控电源组建发展到现在的开关电源，它伴随着频率的提高，效率的增加，功率密度的提高，特别是开关电源逐渐要求小型化的今天，对开关电源的热分析的要求越来越高。
有统计资料表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10％；温升50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6。而高频开关电源这一类拥有大功率发热器件的设备，特别是功率器件更是开关电源发热中的重中之重的器件，因此功率器件的热设计愈加成为开关电源产品设计的关键一环，热设计的效果也直接关系到开关电源能否长期正常、稳定地工作。热设计是开关电源设备结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。
热设计一般都伴随着开关电源的初步设计开始，而一个好的热设计[2]，首先就得对它的功率器件发热量级功耗有一个好的预估，这样就对开关电源的可靠性就有一个良好的保证。
1、开关电源功率器件热设计流程
在开关电源功率器件的热设计中，要有一个好的热设计流程作为指导，这样才能做到工作的有序化和有条不紊。图1为功率器件热设计流程图
图1 功率器件热设计流程图
2、功耗分析
下面我们以反激式开关电源威力对开关电源功率器件的热设计进行研究，图2为反激式开关电源得主电路拓扑图
图2 反激式开关电源主电路拓扑图
（1）开关管的功耗
我们知道，开关管的工作过程[1]分为四个阶段即开通阶段、关断阶段、导通阶段、截止阶段。图3是开关管工作过程时的电压电流波形。设各个阶段时间依次为tr,tf,ton,toff,在图中采取了分段折线处理，实际的电压电流波形比这复杂。计算开关管的功耗可以将这四个阶段功耗加起来极为开关管在一个周期的功耗总和。在开关管截止期间，集电极电压
（
为一次整流滤波后的直流电压），集电极电流
（
为集电极漏电流）。开关管导通后，集电极电流从IC1增大到IC2，集电极电压
（
为饱和压降）。
图3 开关管在一个开关周期内电压电流波形图
在开关管由截止转为导通的电压上升期间，或是由导通转为截止的电压下降期间，开关管的电流并不是立即下降到
或上升到
，而是以某一斜率逐渐下降或上升，这样就会产生开关管的开通损耗与关断损耗，由图3的近似波形可知在开关管电压上升过程中起电压和电流分别为：
下降期间其电压和电流分别为
开关管在开通阶段的损耗为
开关管在关断阶段的损耗为
实际上，目前大功率开关管生产工艺已较成熟，即使在晶体管[3]表面温度达到100℃时，
约1-3V，约0.5-1Ma，而
，一般
为220V交流电直接整流滤波后的直流电压，其值为300V左右，而
约为数百毫安至数安培，考虑到
从而有：
开关管在导通阶段的损耗为
开关管在截止期间的损耗为
一周期内开关管的平均损耗为
当脉冲变压器电感量L足够大时，开关管导通期间集电极电流变化不大，
，可得：
通常在实际的电路中，
在开关电源参数设计阶段都可以确定，
是由实际的开关管性能决定的。
（2）整流二极管的功耗
整流二极管的功率损耗主要分为正向导通功率损耗和反向负压时的功率损耗，图4为二极管工作时的电压和电流波形图。
图4 二极管在一个开关周期内电压电流波形图
正向导通损耗功率为：
其中正向导通电流ID较大，但正向导通压降VD约为0.6～0.7V，tD为正向导通时间。
当二次整流二极管上的电压由正变负时，由于二极管内少数载流子的存储效应，二极管中的电流不会立即变为零，而是存在一个反向截止时间 ，同图4可近似得到此时二极管的功率损耗为：
在一个周期内的平均热功率
通常在实际的电路中，
在开关电源参数设计阶段都可以确定，
是由二极管性能决定的，可用专门的仪器进行测量。
3、散热器及冷却方式的选取
设功率器件工作环境温度最高为Ta，功率器件最大允许结温为
，功率器件内部热阻
(PN结接部与外壳封装)，确定绝缘垫热阻抗
（减小接触热阻[2]可以采取的措施有：加大接触面之间的压力，提高接触面的加工精度， 接触表面之间加导热衬垫，一般而言在接触面涂敷硅脂可使接触热阻降低（20～50）%），确定接触热阻
（它可以通过功率器件外壳类型与功率器件与散热器的安装条件（比如是否加垫片，是否涂硅脂，采用何种材料垫片等），查阅相关手册也可得到相应的接触热阻值），则散热阻抗
这就可根据在具体开关电源中可以使用的散热器的体积来决定是选用体积大，热阻小的散热器还是选用体积小，热阻稍大然后再加上风冷等冷却方式来使散热器的热阻减小，我们知道，散热器热阻抗与散热器的表面积、表面处理方式、散热器表面空气的风速、散热器与周围的温度差有关。
在选用散热器时应把握以下几个原则：
（1）肋片长度适当增加能减小器件结温，但过分增加肋片长度不能确保热量传导到散热器肋片的末端，因此传热受到影响，不能大大降低结温，反而使散热器重量增加太多。一般认为散热器的肋片长度和基座宽度之比接近1传热较好
（2）肋片厚度对散热效果没有多大影响
（3）肋片高度对散热器散热性能影响较大，但肋片高度过高，散热器体积增加太多就受到实际应用中散热器可使用体积的限制
（4）肋片数目的增多可改善散热效果，但超过某一数值就没有什么变化，而且重量还易增加，因而不能盲目增加肋片的数目。
（5）散热器一般都要进行煮黑氧化处理。
当在实际应用中，给散热器提供的空间不足以安装热阻小，体积较大的散热器时就要采用风冷等冷却方式，而在选择风扇时，也要注意把握以下几个原则：
（1）在功率允许的情况下，尽可能选择风量较大的风扇，与风量有关的因素包括风扇的大小，转速等。
（2）风扇的送风形式对散热效果也有较大的影响，鼓风时产生的是紊流，风压大但容易受到阻力损失；抽风时产生的是层流，风压小但气流稳定。理论上说，紊流的换热效率比层流大得多，但是气流的运动与散热片也有直接关系。在某些散热片设计中（比如过于紧密的鳍片），气流受散热片阻碍非常大，此时采用抽风可能会有更好的效果。因而在选用时要注意。
4、可行性判定
在设计的最后阶段，就综合考虑开关电源的热设计与电气设计、电磁兼容设计是否发生冲突，如果发生冲突的话就要采取折中的方法，各自牺牲一些指标，从而使开关电源的可靠性及可用性都得到保证。
5、结论
本文所提出的开关电源功率器件的热设计方法，在功耗计算（涉及到开关器件的选取、电路设计中参数的选择等都有明确的方向与方法），散热器与冷却方式的选择也提出了它的原则，对开关电源功率器件的热设计有重要的指导作用。