电源转换器热阻特性分析开架式与基板式密封式的对比

作者: 有田电源

什么是热阻

热阻(Θ)是指散热路径上的温升与流过同一路径的热量之比。用路径长度界限来描述，例如半导体器件的结点到外壳 (Θj-c)或结点到外围环境(Θj-a)之间的热阻。在单个半导体器件中，所有的热量都集中在温度相同的某一点（半导体芯片）耗散。热量从该点传到封装（或者外壳），然后传到周围环境中，温差和产生的热量之比是结点至外壳或结点至外围的热阻。

开架式转换器

在开架式转换器中，没有从单一热耗源到外部环境的单一散热路径，所以热阻的概念不能完全适用。一个开架式转换器中含有多个器件并具有不同温度，部分热量传导到PCB，部分热量封装直接传导到空气中。这可被描述为多个Θc-a路径混合。

此外，元器件消耗的功率和整个模块消耗功率的比例随着工作条件的变化而变化。比如，当输入电压较高时，耗散在转换器输入部分的功率会相应得大，但在低输入电压情况下，输入部分消耗的功率较小，此时输入部分消耗的功率在整个模块消耗功率中的比例较小，而其他部分的功率消耗更显著。不同负载电流也有类似的影响。在轻负载情况下，磁芯的功率消耗在总消耗中占大部分，而在重负载情况下，开关场效应管的功率消耗更大。

基板式或密封式转换器

对于有田电源（yottapwr.com）的基板式或密封式转换器，器件的温度更加一致，因为内部导热胶使器件的温差保持在一个很小的范围内。然后整个转换器的温度相近，且在底板和外部环境之间具有单一温差。在这种情况下，壳体到外界(Θc-a)的热阻就有意义了。通常同样

尺寸的转换器在给定的空气流速下具有非常相同或者完全相同的Θc-a。  
例子：在图1中，转换器工作在低输入电压，满载和外部环境温度低的条件下，最热的器件是隔离MOSFET

25%的负载，输入MOSFET温度最高，差值为7℃
图1  开架式PQ60015QGA40工作在25℃和25%负载下低负荷运行的热影像

50%的负载，输出MOSFET温度最高，差值为1℃
图2  同一个转换器在50%负载下的热影像

100%的负载，输出MOSFET温度最高，差值为26℃
图3  同一个转换器在100%负载下的热影像

在图1，图2和图3中，热影像图表明温度最高的器件会从一个工作点变化到另一个工作点。在这种情况下，除了负载电流外所有的条件都是相同的。随不同工作点变化以及存在很大温差的最热器件可以用估算热阻。

开架式转换器的优势在于它可以把功率消耗分散到转换器PCB上的多个器件。不同的工作点和负载条件下各器件的功率消耗不同。由于对外传导的热量并非来自于单个器件，因此单一热阻的概念并不适用于开架式模块。

基板式和开架式转换器的对比

在下面的两个例子所示为同一工作点和相同散热条件下的两种相同模式不同封装的转换器热成像图，开架式如图4所示，基板式如图5所示。可以看出它们的热特性有很大不同，且基板式的设计使整个表面都在同一个温度下。这说明开架式转换器不能用单一热阻来准确描述。

图4  工作在满载，外界环境温度25°C和风速200lfm条件下的开架式转换器


图5  工作在与图4所示相同条件下的基板式转换器

在这个例子中热阻是适用的，因为基板式转换器只有一个温度。由于耗散的能量为13W，在外界温度为25℃条件下，底板/模块温度为74℃，所以这个例子的Θc-a在风速为200lfm下为49℃/13W = 3.8℃/W。风速越高，温升就越小，Θc-a也越小。

总结

对于开架式转换器来说，使用固定热阻是不适用的，因为内部的功率消耗器件温度不一致，并且最热的器件随变化的电路工作点和负载条件而变化。对于密封式转换器，从壳体到外部环境使用固定热阻值是合理的，因为基板具有相同的温度。