開關電源熱設計有限元仿真分析

李增利

1.西安電子科技大學，陜西 西安 710071 2.陜西航空電氣有限責任公司，陜西 興平 713100

0 引言

開關電源被廣泛的應用于國防軍事，工業自動化，家用電氣等領域的電子系統中。隨著開關電源逐步向小型化、高頻化、高功率密度發展，用戶對開關電源的可靠性設計提出了更高的要求。溫升是影響開關電源可靠性的關鍵性因素，如何將熱量高效快速的導出，成為電源工程師的首要任務[1]。熱設計的好壞直接影響著開關電源的可靠性和壽命，因而熱設計是開關電源可靠性設計的重要環節。

本文以一個工作于密閉電源盒的開關電源為例，利用有限元軟件ANSYS對開關電源進行熱設計，來提高整個開關電源的散熱性能，使得開關電源的主要發熱器件的溫度控制在允許的范圍內，保證開關電源安全可靠的運行。

1 開關電源的熱分析

本文中開關電源為反激式，具有有源功率因數校正(APFC)環節，主要發熱元件有開關管，整流二極管，大功率電阻，變壓器與電感等[2]。

首先利用ANSYS分析工作在空氣中開關電源的溫度分布情況。

1.1 仿真邊界條件和載荷說明

1）環境溫度：25℃；

2）對流系數：6W/m·K；

3）載荷：器件的生熱率（P為器件的發熱功率，V是器件等效熱源的體積）。

1.2 模型的簡化處理

1）對于簡化線圈模型來說，由于線圈在實際中是由一圈一圈的漆包線繞制的，而且這樣的繞線也不規則，在模型建立中使用單一圓柱體來代替多圈的導體；

2）芯片熱源等效為長方體。

1.3 網格模型

模型中有些部分的尺寸微小，如MOSFET的等效熱源，尺寸為13.8×8×0.2mm3。選用ANSYS軟件中的SOLIDTO單元.通過設置MSHKEY和MSHAPE兩個選項，完成對單元形狀的控制。在建立網格處理不規則體的時候，特別是連接處理后的非六面體的情況，采用退化的四面體單元進行網格劃分，可以通過設定ESIZE，LESIZE的大小來決定單元網格的大小，則模型網格單元數目為324532。

1.4 仿真結果分析

表1中是工作在空氣中開關電源的溫度分布情況。利用紅外熱像儀測得的溫度，與仿真的溫度值對照，相對誤差較小，具有很好的準確性。實際上，此開關電源工作在一個封閉的電源盒內，內部的空氣流動速度很慢，在理想狀態下，認為內部空氣處于絕熱狀態，幾乎不導熱。因而各器件的實際工作時溫度會更高。因此。為保證開關電源安全可靠的運行。必須采取有效的散熱措施，迅速的將電源盤內部的熱量導出，降低主要熱源的溫度。

表1 仿真分析與試驗測量溫度對照表

2 開關電源的熱設計分析

如何尋找低熱阻通路來將熱最迅速導出是設計開關電源熱設計的關鍵問題，因為只有開關電源器件的結點溫度降低后，這樣才能避免高溫而導致開關電源可靠性下降的問題。此開關電源工作在一個封閉的電源盤內，由于工作環境特殊，不允許加風扇，只能采取自然散熱的措施。其熱設計的內容包括電源盤的內部熱設汁和電源盤的外部熱設計。

通過設計將開關電源的前后級MOSFET，后級二級管，整流橋的溫度控制在60℃以內，變壓器的溫度低于65℃。

2.1 電源盒的內部熱設計

開關電源的電源盒內部熱設計主要是調整器件布局和改變內部介質。

1）電路布局的熱設計

密封電源盤內熱源的主要散熱途徑有以下幾個方面：首先，通過熱源經盒內介質向殼體傳導的熱量，可以通過對流和輻射在殼體的表面將熱量發散到大氣中；其次，通過盒體內部的介質可以把熱量傳遞到其他部件上，這樣就可以形成溫度的疊加效應。

所以，在設計過程中，在考慮不影響電路性能的情況下，應該使得發熱部件盡可能分散，且在電路板邊緣分布，另外，固定在電源盒的導熱鋁板應該與其相連。電路板的后邊緣則應該放置前后級MOSFET和整流橋，與電源盒的側壁相連靠的是2mm的導熱鋁板；而電路板的前側邊緣放置后級二極管，同樣，電源盒的側壁相連靠的是同樣厚度的導熱鋁板

表2 開關電源電路布局調整前后溫度對照表/℃

表2是開關電源電路靠局調整前后的溫度對照表，通過表2可以得出如下結論：

首先，可以看出前后級的MOSFET、整流橋和后級二極管溫度都有明顯的降低變化，其主要的原因是因為由于低熱阻通路-導熱鋁板的存在，使得電路布局為這些器件與外殼之間存在這樣一種合理的通路，這樣就可以使得器件產生的熱量傳導到電源盒體，從而溫度梯度也得以降低。

其次，對于變壓器來說，溫度變化很小。通過內部空氣傳導到電源盒的變壓器的熱量，在加上空氣的熱阻很大的原因，這樣可以認為在密閉條件較好的情況下的絕熱狀態。同時，最高結點溫度和環境溫度梯度也很大，這樣來說對于變壓器溫度沒有明顯的降低。

變壓器的溫度變化很小。這是因為變壓器的熱量主要通過內部空氣傳導到電源盒，而空氣的熱阻很大，在密閉條件很好的情況下，可以認為處于絕熱狀態。變壓器的最高結點溫度與環境的溫度梯度很大，導致溫度沒有明顯的降低。所以盡管電路布局的調整改善了開關電源的溫度分布情況， 有些器件的還存在較高的溫度梯度，無法滿足安全可靠運行的要求。

2）電源盒內部介質的熱設計

熱量主要以傳導方式由內部器件傳到電源盒，這一點可以從前面的電源盒內熱源的散熱途徑獲得，經過對流換熱的方式散發到空氣中。根據傳導散熱的原理，內部介質的導熱系數可以看做是影響電源盒內部溫度梯度的主要因素，其中，由于介質的導熱系數與內部熱源的溫度梯度成反比的原因，說明了質的導熱系數越大，內部器件的溫度梯度就越小，熱源的結點溫度就越低。

根據開關電源主要器件溫度與內部介質的導熱系數的關系曲線可以得出如下的結論：

（1）器件的溫度和內部介質導熱系數變化成反比，并且基本上所有器件最終趨于同一溫度。

（2）變壓器的溫度曲線存在一定區別，表現在介質導熱系數為1.2 W/m·K時有一定的上升，這可能是因為變壓器的溫度低于其他熱源的溫度，但是需要注意熱量具有從溫度高的流向溫度低物體的規律，這樣由于變壓器溫度相對較低時，當存在其他熱源的影響，變壓器溫度也是可以理解的。

2.2 電源盒的外部熱設計

電源盒的壁厚和殼體表面肋片的設計構成了電源盒的外部熱設計，需要注意，其表面的散熱方式為對流和輻射，這樣，根據流散熱的原理，表面散熱面積則是影響散熱的主要因素，其中，電源盒的表面散熱面積與外殼肋片的高度影響直接相關。

開關電源的傳導散熱主要受到電源盒的壁厚的影響，同時，電源盒表面的對流散熱則受到外殼的肋片高度影響。因此，對于多熱源的封閉盒體來說，在限定電源盒尺的條件下，外殼的肋片高度對于散熱的影響一般大于壁厚的影響，所以對于封閉盒體來說，主要的散熱形式為表面的對流散熱，這樣能有效的散發熱量，降低盒體內部器件的結點溫度。

所以根據上述結果分析可知，對于電源熱設計中需要采用內部灌膠，而對于主要發熱器件來說則需要通過導熱鋁板與電源盒外殼相連，同時采取電源盒外殼加肋片的綜合散熱措施，這樣可以有效控制開關電源溫度，達到預定目標，從而滿足設計要求。

3 結論

本文開共電源因其工作環境的要求，限制了散熱措施的選擇。在只能采取自然散熱措施，且功耗很大，電源盒的尺寸和重量受到嚴格限制的條件下，分別對電路板和電源盒的結構進行了熱設計，尋找一種有效的散熱措施，降低了主要器件的溫度，提高開關電源的可靠性，延長了壽命。

[1]余明楊，蔣新華，王莉，等.開關電源的建模與優化設計研究[J].中國電機工程學報，2006，26(2).

[2]姬海寧，蘭中文，張懷武，等.基于ANSYS的開關電源變壓器熱模擬研究[J].磁性材料及器件，2006，37(4).