一个3000W整流模块的热设计方案和计算实例

一个3000W整流模块的热设计方案和计算实例

普天王海

功率器件热设计和散热器优化设计方案示于图。首先根据功率器件正常工作时的性能参数和环境参数，如环境温度、器件功耗和结温等，计算功率器件结温是否工作在安全结温之内，判断是否需要安装散热器进行散热，如功率器件需安装散热器进行散热，计算相应的散热器热阻，初选一散热器；重新计算功率器件结温，判断功率器件结温是否在安全结温之内，所选散热器是否满足要求；对于符合要求的散热器，应根据实际工程需要进行优化设计。

具体步骤如下：

1.估算各部分的功率损耗

1）整流桥（MP3510-W）

输入最大功率：P in=3000/93%=3225.6W

输入最大电流：I in=3225.6/185=17.44A

正向损耗：P loss1=2×I in×0.9×V F=4×17.44×0.45×1.1=34.5W

反向最大损耗：P loss2max=2×V r×1.1×I r=2×265×1.1×0.0005=0.3W

合计：35W

2）PFC电路的开关管（SPW47N60CFD）和快恢复二极管（SDT08S60）

3）全桥变换初级四个开关管（SPW20N60CFD）

4）次级整流二级管（DSEC30-02A）

主要是正向导通损耗和开关损耗?

假设：开关频率f=70KHz

最大输出功率时，导通时间t on=7us ，开关时间t rr=140ns

P F=6×I max/3×V F×t on×f=6×55/3×0.85×7×0.07=45.8W

P cross=6×(I max/3/2×2×V out×t rr×f/6)

=55/3×57.6×0.14×0.07×2=20.7W

Ploss=45.8+20.7=66.5W

2.计算器件所用散热器的热阻

一．以整流桥为例：

1）MP3510-W的内热阻：R jc=1.4℃/W

2）与散热器的接触面积：Ａc＝2.9×2.9-3.14×0.254×0.254=8.2cm2

取8cm2，表面涂导热硅脂，加压，接触热阻：R tc=0.48/8=0.06℃/W

3）根据导通电流与散热器温度的关系曲线和最大输入电流的需要，散热器温度应小于100℃，结温最大150℃,环境温度最高55℃，

满足负荷输出时，散热器的热阻应：

R tf≤（150-55）/35-1.4-0.06=1.25℃/W

4）散热器的温度1.25×35+55=98.75℃

二．以次级整流二级管为例：

1）DSEC30-02A的内热阻：R jc=1.6/3=0.533℃/W

2）与散热器的接触面积：

Ａc＝3×（2.015×1.575-3.14×0.182×0.182）=9.21cm2

表面涂导热硅脂，加压，接触热阻：R tc=0.48/9.21=0.052℃/W

3）最大输出电流的需要，散热器温度应小于115℃，结温最大175℃,环境温度最高55℃，满足负荷输出时，散热器的热阻应：

R tf≤（175-55）/66.5-0.553-0.052=1.2℃/W

3.根据热阻估算散热器的散热面积

一．以整流桥为例：

假定流过肋片的风速在1m/s,根据结构散热片的长度允许3cm。

1）采用带波纹齿肋片散热器

Re=u×D/v=2027

hc=1.4×λ×0.66×Re0.5/D=33.8184

A=1/(hc×R tf)=0.0237m2=237cm2

2）如果采用插片散热器（爱默生的就是）

hc=1.0×λ×0.66×Re0.5/D=24.156

A=1/(hc×R tf)=0.0331m2=331cm2

实际面积：A=17*2*3*3.5=357 cm2

二．以次级整流二级管为例：

假定流过肋片的风速在2.5m/s,根据结构散热片的长度允许10cm。

采用肋片散热器

Re=u×D/v=16891

hc=1.0λ×0.66×Re0.5/D=21

A=1/(hc×R tf)=0.0396m2=396cm2

4.选择散热器，重新计算热阻和结温

根据散热量的要求看，结构上采用2U×3U，利于散热：1）可以用大的风机，加大风速；2）可以用双肋型，肋片更多的散热器，或者插片散热器，加大散热面积；3）结构上

1U 高，元件和散热器的尺寸选择都是问题。

1）以爱默生的整流桥使用的插片散热器为例：

共有17片，每片3cm*3.5cm ，空气流速1m/s ，其热阻为：

1/ R tf =4.18××N ×（2H+δ）×D 0.5× u 0.5

=4.18×17×2×0.035×0.030.5× 1 0.5

=0.864

R tf =1.16℃/W

结温：j T jc T T R Q T ≤+∙=环境

Tjc=35*（1.4+0.06+1.16）+55=146℃

小于150℃

5.计算所需风机的参数

尺寸：80*80*25.4

风速≥3.5m/s ，风量：Q ≥3.5*0.08*0.08*60=1.344m 3/分。噪声：≤45dB （731：55dB ） 电源：12V

6.利用软件对散热器优化设计

7.确定优化结果