第8章?lián)p耗與散熱設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源是功率設(shè)備，功率元器件損耗大，損耗引起發(fā)熱，導(dǎo)致元器件溫度升高，為了使元器件溫度不超過(guò)最高允許溫度，必須將元器件的熱量傳輸出去，需要散熱器和良好的散熱措施，設(shè)備的體積重量受到損耗限制。同時(shí)，輸出一定功率時(shí)損耗大，也意味著效率低。8.1熱傳輸電子元器件功率損耗以熱的形式表現(xiàn)出來(lái)，熱能積累增加元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度，元器件內(nèi)部溫度受最高允許溫度限制，必須將內(nèi)部熱量散發(fā)到環(huán)境中，熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳輸。當(dāng)損耗功率與耗散到環(huán)境的功率相等時(shí)，內(nèi)部溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)。1.傳導(dǎo)圖8-1熱隔離的棒能量傳輸率表示為p=*1—T=AT(圖8-1熱隔離的棒能量傳輸率表示為p=*1—T=AT(8-1)iRT式中R=二(8-2)TXA稱(chēng)為熱阻（°C/W）；Z一熱導(dǎo)體傳輸路徑長(zhǎng)度（m）；A一垂直于熱傳輸路徑的導(dǎo)體截面枳m2）；尸棒材料的熱導(dǎo)率（W/mC），含90%鋁的熱導(dǎo)率為220W/mC，幾種材料的熱導(dǎo)率如表8-1所示^T=Ti~T2溫度差（C）。表8-1材料空氣鋁氧化鋁氧化鈹銅環(huán)氧樹(shù)脂鐵金云母硅橡膠A(W/mC)2.4X10-2225202084010.3713390.430.26例：氧化鋁絕緣墊片厚度為0.5mm，截面積2.5cm2，求熱阻。解：由表8-1查得A=20W/mC，根據(jù)式（8-2）得到=0.1C/WD 0.5x10-3=0.1C/WR= 十20x2.5x10-4式（8-1）類(lèi)似電路中歐姆定律：功率P相當(dāng)于電路中電流，溫度差A(yù)T式（8-1）類(lèi)似電路中歐姆定律：功率P相當(dāng)于電路中電流，溫度差A(yù)T相當(dāng)于電路中電壓。半導(dǎo)體結(jié)的熱量傳輸?shù)街車(chē)諝獗厝唤?jīng)過(guò)幾種不同材料傳輸，每種材料有自己的熱導(dǎo)率，截面積和長(zhǎng)度，多層材料的熱傳輸可以建立熱電模擬的熱路圖。圖8-2是功率器件由硅芯片的熱傳到環(huán)境的熱通路（3）和等效熱路（b）。由結(jié)到環(huán)境的總熱阻為R,=Rjc+R+Ra （8-3）上式右邊前兩個(gè)熱阻可以按式（8-2）計(jì)算，最后一項(xiàng)的熱阻在以后介紹的方法計(jì)算。如果功率器件損耗功率為P，則結(jié)溫為T(mén)=P（R+Rcs+Rsa）+Ta_c Rcs及Rsa分別表示芯片結(jié)到管殼，管殼到散熱器和散熱器到環(huán)境熱阻。除了散熱器到環(huán)境的熱阻R夕卜，其余兩個(gè)熱阻可以按式（8-2）計(jì)算。（8-4）圖8-2功率器件熱傳輸和等效熱路圖cssasa從式(8-4)可見(jiàn)，要使結(jié)溫r不超過(guò)最高允許溫度/^應(yīng)當(dāng)器件降低功耗p，或者減少熱阻。一定的封裝，決定了管殼和芯片結(jié)7構(gòu)，也就決定了結(jié)到殼的勺內(nèi)熱阻R。如果希望r小，熱傳輸路徑i要盡可能短，但受到器件承受的電壓、機(jī)械平整度等限制；還要使傳輸截面積盡可能大，但這受到例如寄生電容等限制。封裝一般采用高熱導(dǎo)率材料減小熱阻。高功率器件直接安裝在空氣冷卻，甚至水冷散熱器上。盡量減少結(jié)到殼熱阻R.,一般可以小于1W/°C。手冊(cè)中常給出結(jié)到」殼熱阻R,最高允許結(jié)溫T和最大允許損耗P，或最高允許結(jié)溫T最大允]c jM M 1M許功率損耗PM和允許殼溫T。如果是后者，根據(jù)已知數(shù)據(jù)就可以知道結(jié)到殼熱阻T-TcR= CW/C (8-5)jcpM殼到散熱器通常有一層絕緣導(dǎo)熱墊片，絕緣墊片可以用氧化鋁、氧化鈹、云母或其他絕緣導(dǎo)熱材料。殼到散熱器熱阻Rcs包含兩部分：絕緣墊片熱阻和接觸熱阻。絕緣導(dǎo)熱墊片熱阻可按式8-2)計(jì)算。例如用于TO-3封裝的75pm絕緣云母片熱阻大約1.3C/W。但是，固體表面再好精加工，表面總是點(diǎn)接觸，存在很大接觸熱阻，應(yīng)當(dāng)施加適當(dāng)?shù)难b配壓力，增大接觸面，即便如此，表面之間仍有空氣隙存在，對(duì)熱阻影響很大。太大的壓力會(huì)使器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形，可能適得其反一般使用力矩板手保證確定的壓力，又不致器件安裝變形。同時(shí)，材料接觸表面應(yīng)當(dāng)平整、無(wú)瘤、坑，并在適當(dāng)壓力的前提下，絕緣墊片涂有混合導(dǎo)熱良好氧化鋅的硅脂，驅(qū)趕表面間空氣，使接觸熱阻下降50%?30%。TO3封裝當(dāng)涂有硅脂或?qū)岵牧蠒r(shí)熱阻大約0.4C/W。如果應(yīng)用復(fù)合材料過(guò)多，層太厚將增加熱阻。接觸熱阻可按下式計(jì)算八P。/R=W/C (8-6)csAA為接觸表面積，cm2；p—金屬對(duì)金屬為1,金屬對(duì)陽(yáng)極化為2；如果有硅脂分別為0.5和1.4。2.瞬態(tài)熱抗眾所周知，物體在傳輸熱量之前，必須吸收一定的熱能加熱本身到高于環(huán)境的相應(yīng)溫度；而當(dāng)熱源去掉后，這部分熱能經(jīng)過(guò)一定時(shí)間釋放掉，溫度降低到環(huán)境溫度。這相似電容的充電和放電效應(yīng)。在熱電模擬等效熱路中引入熱容的概念。圖8-3等效熱路瞬態(tài)熱抗(a)，階躍輸入(》和瞬態(tài)熱阻抗響應(yīng)在電源開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)和瞬態(tài)過(guò)載等情況下，功率器件往往在瞬間損耗(浪涌)大大超過(guò)平均損耗，引起芯片結(jié)溫瞬間升高，結(jié)溫是否超過(guò)最大允許結(jié)溫，這與功率浪涌持續(xù)時(shí)間以及器件的熱特性有關(guān)。在瞬態(tài)情況下，熱傳輸?shù)臒崧分斜仨毧紤]熱容Cs。材料的單位體積(或質(zhì)量)的熱容定義為熱能Q相對(duì)于材料溫度T圖8-3等效熱路瞬態(tài)熱抗(a)，階躍輸入(》和瞬態(tài)熱阻抗響應(yīng)dQ/dT=Cv其中C是單位體積熱容，每度(K)單位體積的焦耳，或稱(chēng)為I匕熱。對(duì)于矩形截面A材料，長(zhǎng)度(熱傳輸方向)d的熱容Cs如下C=CAd (8-7)結(jié)溫瞬態(tài)特性'類(lèi)似于電力傳輸線，等效電路方程的解很復(fù)雜。通過(guò)熱電模擬可以得到方程的近似解，穩(wěn)態(tài)模型如圖8-2所示。如果輸入功率P(t)是階躍函數(shù)(圖8-3(a))，考慮熱容的等效熱路如圖8-3(a)所示，短時(shí)間溫升T?(t)為T(mén)j(t)=p0「L4〃(丸RCs1^Ta (8-8)J式中P0為功率階躍幅值，并假定t小于熱時(shí)間常數(shù)近似解為T(mén)=KRC/4 (8-9)如果時(shí)間大于時(shí)間常數(shù)T,T接近穩(wěn)態(tài)值P0Rt+T。圖的縱軸Tj/P0是瞬態(tài)熱阻抗Zt(t)=T.(t)/P0。但是，熱傳輸相似于電網(wǎng)傳輸線，'不是集中參數(shù)，熱時(shí)間常數(shù)不能簡(jiǎn)單使用類(lèi)似電路中的RC時(shí)間常數(shù)。式(8-9)是時(shí)間小于T時(shí)的級(jí)數(shù)展開(kāi)項(xiàng)，是t的1/2次方，而不是簡(jiǎn)單的指數(shù)關(guān)系。在實(shí)際器件中，熱傳輸路徑中不是一種材料，而是多種材料的多層結(jié)構(gòu)，實(shí)際熱系統(tǒng)是非線性高階系統(tǒng)。制造廠在功率器件手冊(cè)中常提供如圖8-4所示的瞬態(tài)阻抗曲線。如果輸入功率的時(shí)間函數(shù)已知，可以利用熱抗曲線預(yù)計(jì)結(jié)溫：T(t)=P(t)Z(t)+T (8-10)'矩形脈沖寬度(s)圖8-4IRFI4905MOSFET結(jié)到殼最大瞬態(tài)熱抗圖(InternationalRectifier-IR)例如，IRFI4905通過(guò)啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)矩形功率脈沖150W，脈沖寬度20Ms，占空比D=0.2，查得Ztjc=0.53W/°C,環(huán)境溫度35°C于是 JCT=150x0.53+35=114.5Cj實(shí)際上，功率脈沖一般不是矩形的，可以用幅值相等、能量(功率時(shí)間積分)相等原則求出脈沖寬度。3.散熱器在式(8-3)中，我們已經(jīng)解決了人.和R，前者由器件廠商提供，后者可以根據(jù)絕緣要求選取適當(dāng)?shù)牟牧嫌?jì)算求得。在一定的損耗功荷時(shí)，要選擇恰當(dāng)?shù)纳崞?，保證器件結(jié)溫不超過(guò)最大允許結(jié)溫。目前使用的散熱器平板、叉指型和翼片鋁型材。自然冷卻散熱器翼片之間的距離較大，至少應(yīng)當(dāng)10?15mm。散熱器表面黑色陽(yáng)極化使熱阻減少25%，但成本增加。自然對(duì)流冷卻熱時(shí)間常數(shù)在4~15分鐘。如果加風(fēng)扇，熱阻下降，使得散熱器小而輕，同時(shí)也減少熱飩。對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器大大小于自然對(duì)流冷卻散熱器。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的熱時(shí)間常數(shù)典型值可以小于1分鐘。用于強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器葉片之間距離可以為幾個(gè)mm。在高功率定額，采用熱管技術(shù)或油冷、水冷進(jìn)一步改善熱傳導(dǎo)。散熱器大小與器件可以允許的最高結(jié)溫有關(guān)。對(duì)于最壞情況設(shè)計(jì)，規(guī)定了最高結(jié)溫TjM，最高環(huán)境溫度T，最高工作電壓和最大通態(tài)電流。如果最大占空比、最大通態(tài)電流和最大通態(tài)電阻已知(由amax手冊(cè)可以查得tm和最大電流)就可以計(jì)算功率器件中最大功率損耗。如果器件結(jié)溫125C，TO—3晶體管，其功耗為26W，制造廠提供Rc=0.9°C/W。使用帶有硅脂的75pm云母墊片，其綜合熱阻為0.4C/W。散熱器安裝處最壞環(huán)境溫度是55C，根據(jù)式(8-4)求得散熱器到環(huán)境的熱阻為R=125二55-(0.9+0.4)=1.39C/Wt26

手冊(cè)中常給出鋁型材單位長(zhǎng)度熱阻，由計(jì)算出的散熱器熱阻求出需要該散熱器型材的長(zhǎng)度。4.對(duì)流和輻射傳熱生產(chǎn)廠提供的散熱器數(shù)據(jù)是該散熱器在規(guī)定環(huán)境溫度散熱器到環(huán)境的熱阻R。此熱阻包含了輻射和對(duì)流熱阻，它們與環(huán)境溫度有關(guān)。因此有必要了解散熱器對(duì)流和輻射熱傳輸機(jī)理。對(duì)流和輻射熱阻與傳導(dǎo)熱阻并聯(lián)。輻射熱阻根據(jù)斯蒂芬一波爾茲曼定律，經(jīng)輻射傳輸?shù)臒崮躊=5.7X10-8EA(T4-T4) (8-11a)P為輻射功率(W)；E為表面發(fā)射率；T為表面溫度(°K)；T為環(huán)境溫度或周?chē)鷾囟?°K);A為散熱器外表面(包括葉片)(m2)。對(duì)于黑色表面如黑色陽(yáng)極化鋁散熱器E=0.9。對(duì)于磨光鋁，E可能小到0.05。對(duì)于黑色陽(yáng)極化鋁散熱器可以將上式重新寫(xiě)成((T丫(t)4］(8-llb)P=5.1A|l|l麗)一［皿」I；(8-llb)根據(jù)熱路歐姆定律，輻射熱阻為R= - AT 「rt丫tY(/y】

"ll^j"i如果T=120C=393K；T=20C=293K，則輻射熱阻Rt=腎c/w例：每邊10cm表面陽(yáng)極化的黑色立方體，表面溫度T=120C，環(huán)境溫度為T(mén)=20C，輻射熱阻Rt=普三=2C/w對(duì)流熱阻如果垂直高度d小于1m,對(duì)流帶走的熱能(AT).25(8-12)P=1.34A (W)(8-12)d0.25△T為物體溫度與環(huán)境空氣的溫度差(C)A是垂直表面積(或物體總表面積)(m2)△T為物體溫度與環(huán)境空氣的溫度差(C)A是垂直表面積(或物體總表面積)(m2),d物體垂直高度(m)。根據(jù)熱歐姆定律，對(duì)流熱阻(d、1/4Rct1.34A<ATJ如果d=10cm,△T=100°CRct=號(hào)c/w例：有一個(gè)薄板表面溫度為120C，環(huán)境溫度為20C10cm,寬30cm,求Rct:1(8-13)板高_(dá) . .01W4 一一R= 1=2.2C/wct 1.34x2x0.1X0.3(1W如果立方體與薄板面積相同，對(duì)流熱阻與上例相同，則輻射和對(duì)流總熱阻為鼻片間距離［日］圖8-5自然冷卻散熱器對(duì)流面積減少系數(shù)R=RctRrt=ir/w心R+R熱從水平向上表面比垂直表面移開(kāi)多15%~25%。表面向下，相對(duì)與垂直表面下降33%，如果表面很大下降得更多。這意味著前面例子計(jì)算一個(gè)六方體對(duì)流熱阻比計(jì)算值為0?20%,這增加對(duì)流熱阻大約4%。上式計(jì)算結(jié)果修正后增加熱阻2%。從上面討論可知，熱阻與T，T和AT有關(guān)。通常散熱器不可能安裝在空氣充分流通場(chǎng)合。所以，對(duì)于近似計(jì)算，使用總表面積，而不是水平向上和向下表面。散熱器翼片距離越近，空氣流通越困難，圖8-5是翼片距離小于25mm自然冷卻對(duì)流表面減少系數(shù)F曲線。根據(jù)翼片間距離，得到減少系數(shù)F，將式（8-13）中A乘以此系數(shù)，翼片間距離越小，F(xiàn)越小，熱阻增加越大。5.散熱器計(jì)算舉例應(yīng)用討論的原則，估算圖8-6所示散熱器一環(huán)境熱阻Rsa。Ts=120°C，Ta=20°C。其有效表面積為A=2x0.12x0.08+2x0.06x0.08=0.0288m2 "S '圖8-6散熱器熱阻計(jì)算圖8-6散熱器熱阻計(jì)算R=0.12=4.17C/W「0.0288葉片之間間隔9mm，這大大減少散熱器自然對(duì)流的影響，dYdY/4RT34af<atJr減少系數(shù)耳如圖8-8所示。圖中對(duì)流冷卻曝露表面近似值為A=2A2+16A1=2x0.08x0.09+16x0.08x0.06=0.0912m2查圖9mm葉片間隔得到F=0.78。對(duì)流熱阻為p 1 （0.08丫/4R= 1 J=1.76C/Wc1.34x0.0912x0.78（100J綜合輻射和對(duì)流的熱阻為R=4.17x1.76=1.24C/W'sa1.76+4.178.2半導(dǎo)體器件結(jié)溫和損耗1.結(jié)溫理論上半導(dǎo)體結(jié)溫如果超過(guò)280C，PN結(jié)失去單向?qū)щ娦?。但大多?shù)器件制造廠在手冊(cè)中允許結(jié)溫遠(yuǎn)小于此值，最高允許結(jié)溫T.m通常在125°C~180°C范圍內(nèi)。最高允許結(jié)溫越高，則允許損耗功率越大。在選擇器件時(shí)，從系統(tǒng)的可靠性考慮，最壞情況下結(jié)溫應(yīng)當(dāng)?shù)陀谄骷罡咴试S結(jié)溫20?40C。雖然有些功率器件，小功率器件，IC可以工作在稍微高于200C，但是它們的工作壽命是很低的，同時(shí)它們工作特性變得很差，生產(chǎn)廠不保證在結(jié)溫以上的工作參數(shù)，要是一定要工作超過(guò)最大結(jié)溫，設(shè)計(jì)者與生產(chǎn)廠必須對(duì)大量器件在應(yīng)用情況下（高溫）篩選，否則不能保證制造的變換器不失誤，但這樣做是勞民傷財(cái)。在某些高環(huán)境溫度特殊應(yīng)用場(chǎng)合，只能進(jìn)行器件篩選。設(shè)備出廠前必須做48小時(shí)到150小時(shí)的滿載、最大環(huán)境溫度老化測(cè)試。在設(shè)計(jì)電力電子設(shè)備時(shí)，特別是高環(huán)境溫度設(shè)備，必須在設(shè)計(jì)初期就要預(yù)計(jì)元器件的損耗并考慮熱傳輸問(wèn)題，估計(jì)散熱器尺寸和重量，在機(jī)箱內(nèi)安放位置及其周?chē)臏囟?。熱設(shè)計(jì)不好，將使設(shè)備的可靠性大大降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)半導(dǎo)體器件高于溫升50C，每增加10?15C壽命下降1倍，正確選擇散熱器只是電力電子設(shè)備的第一步。

2.功率元器件損耗功率元器件不是理想的，都有損耗。變壓器電感有磁芯損耗和線圈銅損耗，在第章討論過(guò)。電容有交流ESR損耗，見(jiàn)第3章。功率半導(dǎo)體器件有導(dǎo)通損耗、截止損耗和開(kāi)關(guān)損耗，此外還有驅(qū)動(dòng)損耗。損耗計(jì)算和預(yù)計(jì)給散熱設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及元器件選擇提供依據(jù)。我們首先研究一個(gè)功率電阻的損耗。如果流過(guò)10Q電阻電流中值幅度為10A，紋波電流為2A（圖8-1），占空比為0.36，工作頻率為100kHz，電阻的峰值功率為P=12R=112X10=1210W平均功率△圖8-7流過(guò)電阻的電流波形一/M+普ta\2匚=10x102x0.36=360W也可以用電流的有效值計(jì)算電阻損耗，電流有效值為△圖8-7流過(guò)電阻的電流波形一/M+普ta\2匚=10x102x0.36=360W也可以用電流的有效值計(jì)算電阻損耗，電流有效值為2,1, M2dt=DR（12+書(shū)）（8-14a）結(jié)果是相同的。一般情況下，用電流有效值計(jì)算元器件脈沖損耗。如紋波電流&如果小于0.3Ia就可以忽略，一般近似為（8-14b）I=Iy[D（8-14b）a用式（8-1b）計(jì)算上例，結(jié)果式相同的。所有電阻損耗都是用電流有效值計(jì)算：電容ESR損耗用紋波電流有效值計(jì)算；電感和變壓器銅損耗直流損耗用直流電流和直流電阻計(jì)算，而交流損耗用交流電阻和交流有效值計(jì)算（不是總有效值】a.二極管損耗圖8-8二極管電流電壓波形計(jì)算二極管損耗必須知道其電流、電壓波形。由于結(jié)構(gòu)不同，不同二極管的電流、電壓波形是不一樣的，即使相同二極管，由于電路條件不同，電流電壓波形也不同。一般通過(guò)實(shí)際測(cè)試獲得，圖8-8圖8-8二極管電流電壓波形如果有面積儀當(dāng)然方便許多。直接由檢測(cè)得到的電流波形計(jì)算二極管損耗時(shí)，需要做若干近似處理：由于t.電流上升時(shí)間和反向電壓上升時(shí)間t很短，予以忽略。反向電流上升時(shí)間也忽略，即二極管電流一旦反向，電壓就上升到額定反向電壓，反向電流持續(xù)時(shí)間，就是反向恢復(fù)時(shí)間t“。于是，二極管損耗可以計(jì)算如下:（8-15）P =KonUI+土UI+工UI（8-15）dtff 2t2TFfRR上式右邊第一項(xiàng)為正向?qū)〒p耗；第二項(xiàng)為電流下降損耗，一般較小可以忽略；第三項(xiàng)為反向恢復(fù)損耗。b.MOSFET損耗損耗有三個(gè)部分：導(dǎo)通損耗，柵極損耗和開(kāi)關(guān)損耗。一般通過(guò)測(cè)量獲得MOSFET的電流電壓波形如圖8-3所示。導(dǎo)通損耗MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)，漏一源之間等效電阻Ron上的損耗：P=DI2R （8-16）on Don應(yīng)當(dāng)注意手冊(cè)上導(dǎo)通電阻測(cè)試條件，測(cè)試時(shí)一般柵極驅(qū)動(dòng)電壓為15V。如果驅(qū)動(dòng)電壓小于測(cè)試值，導(dǎo)通電阻可能比手冊(cè)大，而且導(dǎo)通損耗P=RI2也可能加大。多子導(dǎo)電的導(dǎo)通電阻R為正溫度系數(shù)，導(dǎo)通電阻與溫度典型關(guān)系為 如 如R（T）=R25X1.007T-25 （8-17）如果我們知道了熱阻，根據(jù)導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗之和就可以計(jì)算結(jié)溫，根據(jù)新的結(jié)溫計(jì)算新的導(dǎo)通電阻，如此反復(fù)迭代，求得結(jié)溫和導(dǎo)通損耗。開(kāi)關(guān)損耗 隨著MOSFET的交替導(dǎo)通與截止（非諧振），瞬態(tài)電壓和電流的交越導(dǎo)致功率損耗，稱(chēng)為開(kāi)關(guān)損耗。在圖8-9中，電流上升時(shí)間和電流下降時(shí)間t.,t.f和電壓下降時(shí)間和電壓上升時(shí)間t,tf之和稱(chēng)為開(kāi)關(guān)時(shí)間t。假定電流電壓上升與下降都是線行的'電流連續(xù)模式開(kāi)關(guān)損耗為 "swP= pfw （8-18a）sw 2如果是斷續(xù)模式，假定開(kāi)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間相等，只有關(guān)斷損耗為(8-18b)P(8-18b)sw如果驅(qū)動(dòng)電壓越‘硬’，開(kāi)關(guān)時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)損耗也就越小。柵極損耗為驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電荷引起的損耗，即柵極電容的充放電損耗。它不是損耗在MOSFET上，而是柵極電阻或驅(qū)動(dòng)電路上。雖然柵極電容與柵極電壓是高度非線性關(guān)系，手冊(cè)中給出了柵極達(dá)到一定電壓Ug的電荷Qg，因此，驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O的功率為' P=QgUgf （8-19）請(qǐng)注意這里沒(méi)有系數(shù)0.5。要是實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓和手冊(cè)對(duì)應(yīng)的電荷規(guī)定電壓不同，可以這樣近似處理，用兩個(gè)電壓比乘以柵極電荷比較合理。要是你的柵極電壓比手冊(cè)規(guī)定高的話，這樣做最好。但密勒電容電荷是造成計(jì)算誤差的主要因素?？傊?，MOSFET的總損耗是通態(tài)、柵極電荷和開(kāi)關(guān)損耗之和。而總損耗中僅僅是第一和第二項(xiàng)是損耗在MOSFET上的。例題IRFP460漏極電流中值12A，占空比D=0.36，截止電壓400V，開(kāi)關(guān)頻率f=70kHz，開(kāi)關(guān)時(shí)間tsw=0.1Ms,環(huán)境溫度40°C，25°C導(dǎo)通電阻Ron=0.27Q,Rjc=0.45°C/W，Rcs=0.24°C/W（有硅脂），Rsa=1.1°c/W，求結(jié)溫t。解：20C導(dǎo)通損耗功率P=DRI2=0.36x0.27x122=14w開(kāi)關(guān)損耗 "act 0.1x10-6Pw=?Ulf=—2—400X12X7X104=16.8WT=P(R.+R+R)+T=30.8(0.45+0.24+1.1)+40=95.13C在95.13C導(dǎo)通電阻為R=R25x1.007at=0.27x1.00795.13-25=0.44Q101.3C導(dǎo)通損耗為P=DR12=0.36x0.44x122=22.81W新的結(jié)溫 °"aT=P(R.+R+R)+T=39.6(0.45+0.24+1.1)+40=111.1C進(jìn)一步計(jì)算111.1C導(dǎo)通電阻Ron=0.5Q導(dǎo)通損耗25.92,結(jié)溫116.4C。繼續(xù)迭代，最終結(jié)溫為118C，小于150C,損耗為43.6Wo可以得到散熱器溫度88C,殼溫98.5C。c.功率BJT損耗功率雙極型晶體管（BJT）損耗計(jì)算方法與MOSFET相似，只是驅(qū)動(dòng)（基極）損耗與MOSFET不同，是消耗在功率上的。連續(xù)模式

P=IUD+"兒+1U （8-20）CCsCES 2 BsBEs式中UCES功率管飽和壓降，有抗飽和箝位，此壓降要比飽和壓降高。U紡一般大于IV。一般驅(qū)動(dòng)電壓遠(yuǎn)大于1V,實(shí)際上驅(qū)動(dòng)損耗還要包含串連電阻損耗，但不消耗在功率上。d.半導(dǎo)體器件損耗測(cè)試通常依據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)損耗計(jì)算，尤其時(shí)開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算存在很大誤差。為了提高計(jì)算準(zhǔn)確性，可以使用等效法求得器件損耗、溫升和熱阻。測(cè)量確定工作條件（環(huán)境溫度）下電源中功率管殼溫Tc，然后用直流電源加載功率管上，調(diào)節(jié)基極電流（或柵極電壓）來(lái)調(diào)節(jié)功率管電流，即調(diào)節(jié)功率管損?P=UI，在相同的條件下，達(dá)到功率管的殼溫測(cè)試值，這時(shí)功率管損耗P為電源中功率管的損耗。已知損耗就可以測(cè)試殼到散熱器溫差和散熱器到環(huán)境溫差，就可以利用熱的歐姆定律（式（8-1））決定確定Rcs和散熱器熱阻Rsa。e.電容器損耗e.電容損耗主要是ESR損耗。如果電容的電流有效值為I，則電容損耗為P=12R例：斷續(xù)模式反激變換器輸出功率45W，效率75%，初級(jí)峰值電流1.1A，開(kāi)關(guān)頻率為50kHz，占空比為0.4，輸入電壓220V+10%，50Hz，直接整流，輸入紋波電壓4%。電容濾波。選擇電容，并計(jì)算電容損耗和溫升。50解：輸入紋波電壓為4%，即Up/UL=0.96，整流輸出功率為變換器的輸入功率45W/0.75=50W。交流最低輸入電壓為220X0.9=198v，峰值電壓Up=198X1.414=280V，根據(jù)式（3-20）得到需要的電容50C= = — =163pFfU2（1—k2）50X2802（1—0.962）p選擇CDE，500C型C=160pF/400V，120Hz紋波電流1.3A，100Hz紋波電流約為120Hz的0.95，10Hz以上為1.45倍。Resr=0.652Q（120Hz，）外殼為AK，管芯到底部熱阻為1.67^/W，殼到環(huán)境熱阻為17.12°C/W。電流脈沖的寬度cos-1k cos-10.96t= = =0.9ms2丸f 2丸x50電容的峰值電流rCU(1—k)160x10-6x280x(1—0.96) 〔QQA'=7 0.9X10—3 =1.99A電容電流低頻電流有效值為I=IW-(2f)2=1.99?X0.9X10-3X50(1—2x0.9x10-3x50)=0.57a變換器輸入電流的有效值I=iJD—d=1.1,^!^=0.34acopY34 34電容電流總有效值I=J(IL/kL)2+(Ih/kH)2=她.57/0.95)2+(0.34/1.45)2=0.644a電容損耗為P=12R=0.662X0.652=0.27w電容的溫升C 削AT=RtP=(1.67+17.12)x0.27=5C8.3變換器效率效率是電源的重要指標(biāo)。高效率意味著較小的體積或較高的可靠性。定義變換器的總輸出功率除以總輸入功率定義為效率Pn=p （8-21）i式中P。一輸出功率；P廠輸入功率。除'了滿足規(guī)范外，對(duì)效率的興趣在于：輸出一定的功率時(shí)，變換器要損耗相應(yīng)的功率，變換器消耗功率就意味著發(fā)熱。變換器溫度高低對(duì)MTBF影響很大，高效率，溫升低使產(chǎn)品長(zhǎng)壽命，或更小的體積。效率可能對(duì)用電池供電的設(shè)備更重要，電池的容量是有限的，再次充電前甚至節(jié)約1W就可以延長(zhǎng)供電時(shí)間。家用電器所用的開(kāi)關(guān)電源的效率也很重要。因?yàn)樵诿绹?guó)典型的家庭用電限制在20A以下，如果變換器效率低，就不可能提供正常的輸出，很大功率消耗在變換器中，不可能足夠的電能傳輸?shù)截?fù)載而不跳閘。模塊電源是很小的變換器，固化在一個(gè)扁平的外殼中。電源工業(yè)界所說(shuō)的模塊效率不是額定負(fù)載的最大效率（即說(shuō)明書(shū)中所說(shuō)的“效率高達(dá)…”）.而模塊工業(yè)界的效率則是單個(gè)模塊效率。這就是說(shuō)，如果要應(yīng)用模塊需要附加一些部件，組成一定功能的變換系統(tǒng)。例如實(shí)際上還要加上EMC濾波或輸入PFC、輸出濾波等，這是不足為奇。但這樣，系統(tǒng)效率當(dāng)然變差。銷(xiāo)售商并未對(duì)此說(shuō)明。此外，變換器拓?fù)鋵W(xué)術(shù)論文中的效率往往是功率級(jí)效率，既沒(méi)有考慮輔助電源的損耗，也沒(méi)有考慮到其他輔助電路一輸入濾波，啟動(dòng)電路，電流檢測(cè)一損耗，甚至未包括驅(qū)動(dòng)損耗，因此，那種效率也不足為憑。一般電源通常在額定輸入電壓、滿載條件下測(cè)量的。但不少電源常常工作在半載以下，這種情況下，更應(yīng)當(dāng)關(guān)注輕載效率，電源設(shè)計(jì)者在選擇拓?fù)鋾r(shí)應(yīng)當(dāng)特別注意的?？倱p耗根據(jù)效率定義，電源的總損耗為P=P-P=P1-1） （8-2）總損耗包括功率器件、變壓器、濾波電路、緩沖電路、輔助電源、EMI濾波、保險(xiǎn)絲、假負(fù)載等一切損耗。偶爾你會(huì)聽(tīng)到“變換器效率”，實(shí)際上僅只包含功率電路、變壓器、整流濾波電路和緩沖電路損耗，不包含除此以外的其它電路損耗，甚至不包含功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)損耗。在電源設(shè)計(jì)開(kāi)始，應(yīng)當(dāng)對(duì)所設(shè)計(jì)的電源效率有一個(gè)恰當(dāng)?shù)墓烙?jì)，由此選擇功率開(kāi)關(guān)。用式8-2）計(jì)算出允許的總損耗。再根據(jù)所選擇拓?fù)浣o出功率電路的允許損耗一功率開(kāi)關(guān)損柚，變壓器損耗P，濾波損耗尸廣，漏感引起的損耗Pls，緩沖電路損耗P，整流損耗PR等等。輔助電源如果是直接取自于輸入電壓，不影響功率電路輸入功率，可根據(jù)所選擇的功率器件，保護(hù)電路和顯示電路的消耗電流，單獨(dú)給出允許損耗；如果輔助電源采用自舉供電，在功率電路中還應(yīng)當(dāng)包含其損耗。功率開(kāi)關(guān)損耗P包括功率管導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗與電流I或電流的平方I2成正比。高壓器件比低壓器件導(dǎo)通電阻（或壓降）大，更長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)時(shí)間，因此通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗也大。開(kāi)關(guān)損耗隨頻率增加而增加,因此高壓大功率電源一般開(kāi)關(guān)頻率較低。IGBT電壓定額一般在500V以上，導(dǎo)通壓降在2?3V，從損耗的觀點(diǎn)不適宜工作在低電壓（＜200V）和工作頻率超過(guò)30kHz電路中。低壓MOSFET電流定額越大，導(dǎo)通電阻越小。如果將大電流定額的器件用在小工作電流場(chǎng)合，導(dǎo)通損耗明顯降低，但大電流器件的柵極電荷比小電流大，柵極驅(qū)動(dòng)損耗將明顯增加，因此必須在柵極損耗和導(dǎo)通損耗之間折衷，但柵極損耗隨開(kāi)關(guān)頻率增加而增加，如果采用大馬拉小車(chē)，開(kāi)關(guān)頻率是調(diào)節(jié)損耗的重要因素。雙極型功率管通態(tài)壓降一般在1V以上，為減少存儲(chǔ)時(shí)間，通常采用抗飽和措施，導(dǎo)通壓降增加。作為粗略估計(jì)，可以假定開(kāi)關(guān)損耗等于導(dǎo)通損耗。變壓器損耗PT包括磁芯損耗和線圈損耗（銅損耗）。正確設(shè)計(jì)和繞制的開(kāi)關(guān)電源變壓器效率一般在98%以上。如果要求高效率，必須選擇較低的磁感應(yīng)，磁芯的