スイッチング電源の熱対策を5つのポイントで解説

スイッチング電源が動作すると大量の熱が発生することは誰もが知っています。 熱を時間内に放出し、妥当なレベルに保つことができない場合、スイッチング電源の通常の動作に影響を与え、深刻な場合にはスイッチング電源が損傷します。 スイッチング電源の信頼性を向上させるために、今日はスイッチング電源に固有の冷却ソリューションをいくつか紹介します。

スイッチング電源は現在、さまざまな電子機器に広く使用されており、その単位電力密度は常に向上しています。 高電力密度は、1991 年に 25w/in3、1994 年に 36w/in3、1999 年に 52w/in3、2001 年に 96w/in3 と定義されています。スイッチング電源の信頼性を向上させるために、熱設計は不可欠かつ重要な部分です。スイッチング電源の設計に。

スイッチング電源内部の温度上昇が大きすぎると、温度に敏感な半導体素子や電解コンデンサなどの故障の原因となります。 温度がある値を超えると、故障率は指数関数的に増加します。 統計によると、電子部品の信頼性は温度が 2 度上昇するごとに 10% 低下します。 温度上昇 50 度での平均寿命は、温度上昇 25 度での平均寿命のわずか 1/6 です。 電気的ストレスに加えて、温度はスイッチング電源の信頼性に影響を与える最も重要な要素です。 高周波スイッチング電源には高出力の発熱体があり、温度はその信頼性に影響を与える最も重要な要因の 1 つです。

完全なスイッチング電源の熱設計には 2 つの側面があります。1 つは、熱源の発熱を制御する方法です。 もう 1 つは、熱源から発生する熱をいかに放熱するかです。これにより、スイッチング電源の温度上昇が許容範囲内に抑えられ、スイッチング電源の信頼性が確保されます。

1. 発熱量を抑える設計

スイッチング電源の主な発熱部品は、半導体スイッチング管、パワー ダイオード、高周波トランス、フィルター インダクタなどです。部品が異なれば、発熱を制御する方法も異なります。 パワー管は高周波スイッチング電源の中で発熱の大きなデバイスの一つです。 その発熱を抑えることで、パワー管の信頼性を向上させるだけでなく、スイッチング電源の信頼性を向上させ、平均故障間隔（MTBF）を改善することができます。 ）。 スイッチ管の発熱は損失によるもので、スイッチ管の損失は、スイッチング過程の損失とオン状態の損失の2つの部分で構成されています。 したがって、熱を制御および低減するために、次の対策を講じることができます。

1. オン損失の低減 オン抵抗の低いスイッチを選択することにより、オン損失を低減することができます。

2. スイッチング損失は、ゲート電荷の大きさとスイッチング時間によって発生します。 スイッチング損失を低減するには、スイッチング速度が速く、回復時間が短いデバイスを選択して、スイッチング損失を低減します。

3. より良い制御方法とバッファリング技術を設計して損失を減らすことがより重要です。 たとえば、ソフトスイッチング技術はこの損失を大幅に減らすことができます。

4. パワーダイオードの発熱を抑えてください。 一般に、AC 整流器とスナバ ダイオードの損失を減らすには、これ以上の制御技術はありません。 高品質のダイオードを選択することで、損失を減らすことができます。

5.トランスの二次側の整流には、より効率的な同期整流技術を選択して損失を減らすことができます。

6. 高周波磁性材料による損失については、表皮効果をできるだけ避ける必要があります。 表皮効果による影響については、細いエナメル線を複数本平行に巻く方法で解決できます。

2、スイッチング電源の熱設計

加熱装置の熱をできるだけ早く放散するために、スイッチング電源の放熱設計は、一般に、ラジエーター、冷却ファン、金属基板、絶縁熱伝導シートなどの側面から考慮されます。実際の設計では、顧客と製品自体の要件、および最良の費用対効果比に従って、上記の方法を電源の設計に包括的に適用する必要があります。

1. 半導体デバイスのヒートシンク設計

スイッチング電源では半導体デバイスの発熱が支配的であるため、発熱は主に半導体デバイスのターンオン、ターンオフ、導通損失によるものです。 回路のトポロジーとしては、ゼロクロスで回路の電圧や電流をオンオフする共振を発生させるゼロスイッチング変換トポロジーを採用することで、スイッチング損失を最小限に抑えることができますが、スイッチング損失を完全になくすことはできません。スイッチ管なので、放熱を利用する方法が一般的でメインのデバイスです。

パワースイッチ半導体ヒートシンク選定の基本原則

(1) ヒートシンク選定の基本

パワー半導体デバイスのヒートシンクの選択は、デバイスの消費電力、デバイスの接合部からケースへの熱抵抗、接触熱抵抗、および冷却媒体の温度に従って総合的に検討する必要があります。

(2) デバイスとヒートシンク間の締結力の要件

組み立て後にデバイスとヒートシンク間の良好な熱接触を得るには、適切な取り付け力または取り付けトルクが必要です。 また、実際のアプリケーションでは、通常、デバイスとヒートシンクの間に熱伝導性材料の層が追加され、熱伝達効率が向上し、2 つの間の熱抵抗が低減されます。

(3) ラジエータの定格冷却条件

自己冷却ラジエーター: 周囲温度が 40 度を超えないようにすることが望ましいです。ラジエーターのフィンは設置時に垂直に配置する必要があり、上下の端面を塞がないでください。ラジエーター周りの空気対流。

空冷式ラジエーター: 入口空気温度は 40 度以下に制御され、入口端の風速は 6 m/s が望ましいです。

水冷ラジエーター: 入口水温は 35 度を超えません。 水の流量は、熱放散のための総熱要件と、入口と出口の水の設計温度差に従って決定されます。

(4) 放熱器選定の総合的検討

ラジエーターの選択では、ラジエーターの放熱能力、冷却方法、技術パラメーター、および構造特性の範囲を包括的に考慮する必要があります。 技術パラメータのみのデバイスの場合、要件を満たすことができるラジエータが 2 つまたは 3 つある場合がありますが、冷却および設置と組み合わせる必要があります。 、一般的な互換性と経済性を総合的に選択します。

2. ファンの自然空冷と強制空冷

スイッチング電源の実際の設計プロセスでは、通常、自然空冷とファン強制空冷の 2 つの形式が使用されます。 自然空冷ヒートシンクを取り付けるときは、ヒートシンクのブレードを垂直に上向きに配置する必要があります。 可能であれば、空気の対流を促進するために、PCB 上のヒートシンクの取り付け位置の周りにいくつかの通気孔をあけることができます。

強制空冷では、ファンを使用して強制的に空気を対流させます。 したがって、エアダクトの設計では、ヒートシンクのブレードの軸方向は、ファンの排気方向と一致する必要があります。 良好な換気効果を得るには、熱放散が大きいデバイスを近くに配置する必要があります 排気ファン、排気ファンの場合、ヒートシンクの熱抵抗を下の表に示します。

4. 金属 PCB

スイッチング電源の小型化に伴い、実際の製品では面実装部品が多く使われるようになり、パワーデバイスへの放熱板の搭載が困難になっているのが現状です。 現在、この問題を克服するために、主に金属 PCB がパワー デバイスのキャリアとして使用されており、主にアルミニウム ベースの銅張積層板と鉄ベースの銅張積層板が含まれています。 別の銅コア PCB があります。 基板の中間層は銅板絶縁層で、高熱伝導エポキシグラスファイバークロスボンディングシートまたは高熱伝導エポキシ樹脂を採用しています。 smd コンポーネントを両面に取り付けることができ、高出力の smd コンポーネントは、smd 自体のヒートシンクを金属 PCB に直接はんだ付けし、金属 PCB の金属プレートを使用して熱を放散できます。

5.発熱体の配置

スイッチング電源の主な加熱要素は、ハイパワー半導体とそのラジエーター、電力変換トランス、およびハイパワー抵抗です。 発熱体の配置は発熱量に応じて小さいものから大きいものまで配置するのが基本です。 発熱量が小さいほど、スイッチング電源エアダクトの風向が高く、発熱量の大きい装置が排気に近くなります。 ファン。

生産効率を向上させるために、複数のパワーデバイスが同じ大きなヒートシンクに固定されることがよくあります。 このとき、ヒートシンクは PCB のできるだけ端に近づけて配置する必要があります。 ただし、シェルやスイッチング電源の他の部分からは、少なくとも 1cm 以上離してください。 回路基板にいくつかの大きなヒートシンクがある場合、それらは互いに平行で、エアダクトの風向と平行である必要があります。 縦方向は、発熱量の少ないデバイスを最下層に配置し、発熱量の多いデバイスを上層に配置します。 発熱部品は、PCB レイアウト上の電解コンデンサなどの温度に敏感な部品からできるだけ離して配置する必要があります。

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