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龙岩变压器的热设计方法解析

2018-11-21 点击量:353
龙岩变压器的热设计方法解析     

龙岩变压器已普遍运用在当前的各类电子设备上,其单位功率密度也在不断地提高.高功率密度的定义从1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,目前已高达数百瓦每立方英寸.由于龙岩变压器中使用了大量的半导体器件,如整流桥堆、大电流整流管、三极管或场效应管等器件。它们工作时会产生大量的热量,如果不能把这些热量及时地排出并使之处于一个合理的水平将会影响龙岩变压器的正常工作,严重时会损坏龙岩变压器.为提高龙岩变压器工作的可靠性,热设计在龙岩变压器设计中是必不可少的重要一个环节。

  1.热设计中常用的几种方法

  为了将发热器件的热量尽快地发散出去,一般从以下几个方面进行考虑: 使用散热器、冷却风扇、金属pcb、散热膏等.在实际设计中要针对客变压器厂家/户的要求及******费/效比合理地将上述几种方法综合运用到龙岩变压器的设计中。


  2.半导体器件的散热器设计

  由于半导体器件所产生的热量在lcjyg.com/龙岩变压器中占主导地位,其热量主要来源于半导体器件的开通、关断及导通损耗.从电路拓扑方式上来讲,采用零变换拓扑方式产生谐振使电路中的电压或电流在过零时开通或关断可******限度地减少损耗但也无法彻底消除管的损耗故利用散热器是常用及主要的方法.

  2.1 散热器的热阻模型

  由于散热器是龙岩变压器的重要部件,它的散热效率高与低关系到龙岩变压器的工作性能.散热器通常采用铜或铝,虽然铜的热导率比铝高2倍但其价格比铝高得多,故目前采用铝材料的情况较为普遍.通常来讲,散热器的表面积越大散热效果越好.散热器的热阻模型及等效电路如上图所示

  半导体结温公式如下式如示:

  pc: 功率管工作时损耗

  pc(max): 功率管的额定******损耗

  tj: 功率管节温

  tjmax: 功率管******容许节温

  ta: 环境温度

  tc: 预定的工作环境温度

  θs : 绝缘垫热阻抗

  θc : 接触热阻抗(半导体和散热器的接触部分)

  θf : 散热器的热阻抗(散热器与空气)

  θi : 内部热阻抗(pn结接合部与外壳封装)

  θb : 外部热阻抗(外壳封装与空气)

  根据图2热阻等效回路, 全热阻可写为:

  又因为θb比θs +θc+θf大很多,故可近似为

  ①pn结与外部封装间的热阻抗(又叫内部热阻抗) θi是由半导体pn结构造、所用材料、外部封装内的填充物直接相关.每种半导体都有自身固有的热阻抗.

  ②接触热阻抗θc是由半导体、封装形式和散热器的接触面状态所决定.接触面的平坦度、粗糙度、接触面积、安装方式都会对它产生影响。当接触面不平整、不光滑或接触面紧固力不足时就会增大接触热阻抗θc。在半导体和散热器之间涂上硅油可以增大接触面积,排除接触面之间的空气而硅油本身又有良好的导热性,可以大大降低接触热阻抗θc。

  当前有一种新型的相变材料,专门设计用采取代硅油作为传热介面,在65℃(相变温度)时从固体变为流体,从而确保界面的完全润湿,该材料的触变特性避免其流到介面外。其传热效果与硅油相当,但没有硅油带来的污垢,环境污染和难于操作等缺点。用于不需要电气绝缘的场合。典型应用包括cpu散热片,功率转换或者其它任何簧片固定的硅油应用场合,它可涂布在铝质基材的两面,可单面附胶,双面附胶或不附胶。

  ③绝缘垫热阻抗θs

  绝缘垫是用于半导体器件和散热器之间的绝缘.绝缘垫的热阻抗θs取决于绝缘材料的材质、厚度、面积。下表中列出几种常用半导体封装形式的θs+θc

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