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混合式直流-直流电源转换器的散热设计

             引言 

混合式 DC-DC 转换器,如 VPT DV 系列产品通常被定级在整个军事级温度范围-55℃到+125℃, 只要功率耗散和温升被合理地设定,转换器就可以在这个温度范围内以全额功率运行。DC-DC 电源转换 器的效率永远低于  100%,因此输入功率总有一定比例的浪费。这些被浪费的功率以热量的形式流失, 同时会导致 DC-DC 转换器的温度上升而高于周围系统温度。在系统机械和散热设计时必须考虑 DC-DC 转换器的温升以保证转换器不会超过最大额定工作温度。  

混合式封装的特征 

混合式封装技术采用厚膜导体,裸半导体压膜和高热导材料实现高温运行。典型混合式封装如图  1  所示。在它的基本结构中,裸露硅压膜被固定在一个陶瓷基板 上,一般是氧化铝 Al  2O3,这个基板则被固定在金属基材上,通常是 钢铁或铁镍钴合金.功率在半导体压膜处耗散,半导体压膜可能是集成电路(IC),功率晶体管或者功率整流管。压膜具有一个最大的半导体结点工作温度,典型温度为 150℃或 175℃,如制造商所列。

 

根据图  1,显而易见,混合器件的散热路径全部通过包装的底部。特定工作温度必须在管壳的底层表面测量。盖子提供非常小的热量传递路径。任何在盖子上测量得到的温度都具有不精确的结果,任何加在盖子上的散热器都具有很小的影响。因此,系统散热设计必须考虑使包装底壳主散热路径。 

由于转换器的功耗和配件的热阻,管壳温度总是稍高于散热器温度或环境温度。管壳温度不可以被假定与散热器温度或环境温度相等。这种错误的假定是产生许多系统散热问题的根源。合理的系统设计应容许高的系统温度,甚至超过 100℃,但保持混合转换器组件温度低于125℃。   

如果混合式转换器的管壳保持低于+125℃,则内部半导体结温会处在安全级别内,一般在 130℃和 140℃之间,仍低于它们的最大额定值。如果混合器件的输出功率减少,那么管壳的耐极限可能可以 增加,内部结温无增加。细节问题请咨询混合式转换器制造商。 

尽管混合式 DC-DC 转换器可在高达+125℃的温度条件下工作,但是可靠性可在较低壳温下运行转换 器而提高。每个电子组件都有故障率,这个故障率从理论上来讲与它的工作温度有关。 根据 MIL-HDBK-217 的分布式计算,每降低混合组件的工作温度 5℃会增加平均故障间隔时间 10%~20%。 一般来说,系统设计要尽量降低热阻和最小化 DC-DC 转换器和系统环境之间的温升。 

合理的安装  

DV系列DC-DC转换器一般使用于传热的主要方式为传导。散热分析过程中辐射或对流冷却常被忽略。低功率耗散或高效率的混合转换器通常是无散热器的安装,并且依赖电路板来散热。另一方面,较高功率混合组件一般需有低热阻连接到主散热器,如系统底盘。  

铝是典型的用于热(散热器)的材料,其具有高热导率,轻重 量以及易于加工的特点。在混合转换器和热沉的安装界面处可用耐热传导性的空隙填充物。这种空隙填 充物一般是一个散热焊盘,散热润滑脂或黏合剂。它可以填充界面处的任何不规则空隙,并且降低交界 面的的热阻。这些材料参数可从许多制造商处获得,参数包括:厚度,硬度,介质击穿,黏合剂,释气量等等。

为保证良好的热传导率,DC-DC  转换器应牢固地安装在热沉上。我们推荐法兰盘封装,黏合剂或固定夹的方式来达到最好的性能。一些空隙填充物材料要求有足够的安装压力以保持良好的散热性能。如果要求一个良好的散热界面,仅有与管 脚的焊接通常是不够的。  

确定管壳温度 

混合转换器的工作温度必须通过分析和测量来验证。对于设计目的而言,工作温度可以利用有限元分析(finite element analysis)计算方法或一个简单的热阻模型来计算。实际系统中,安装在混合器件底板上的热电偶(thermalcouple),是一个测量的好方法但一般必须等到研发周期的晚期。在整个系统散热模型研制完成之前,初步的热阻计算,虽然是大致估计,但不失为研发早期的一个好的设计工具。 

    

                            2 展示了一个直接固定在一个均热片上的侧边引线型的电源混合组件。图 3 展示了机械层以及对应
             的热阻模型。
这种混合组转换器直接安装在散热器上的结构通常会使得运行时的管壳温度尽可能
              最低。这同样适用于底部引线型封装 ,只要散热器钻有转换器管脚的导电插孔。
 


四脚朝天式安装

4 展示了一个具有法兰盘的电源混合器的四脚朝天式”(“deadbug”)安装的例子。这是一种普遍用于严重振荡环境下的安装结构。管脚的电气连接可通过离散布线或者一个灵活或坚硬的印刷电路板来实现。


 


在这个组件中,热量只通过法兰盘传递。最大温度是假定在混合器的中心处,从中心到法兰盘有一 个附加的热阻和温升。对于这种结构,因为功率沿着底盘的表面耗散,所以利用有限元方法从封装的中 心处到法兰盘可获得一个有效的热阻值,如图 6 所示。当与混合器件的总功耗共同作用 时,这个有效热阻就会产生一个有效热点管壳温度。有效热阻值可从制造商 处获得。 

均热片的朝天式”(DEADBUG)安装 

对于那些大功耗或高环境温度的应用场合,添加一个到“朝天式”混合器的基部可降低组 件的管壳温度,如图 6 所示。的热导率必须好于组件封装的热传导率。例如,对于冷轧钢封装, 铝散热器的厚度是组件封装的厚度的两倍。为达到更好的效果,片与电气管脚须保持距离以确保 热力接点沿着整个混合器的长度,这里推荐使用具有导热性的黏合剂。

 
 

再次利用有限元方法,我们可推导出这个结构近似热阻模型。此时的热阻与封装的 2有效热阻并联。2附加率通过有限元建模获得,因为热量实际上沿散的总长传热,而不是简单传递到组件的中心处。的热阻必须保证足够低以确保显着的效果,同时热阻必须是由高热导率材料制成, 型号大小适当。 

安装印刷电路板(PCB 
  
较低功率的混合器一般是直接被安装到电路板或印刷电路板(PCB)上,如图  8  所示。良好的热力接点保持在混合器和电路板之间,这里经常要用到黏合剂。混合器的法兰盘或固定夹也能帮助良好的热力接点。电路板的热阻可从混合器中心的 PCB 材料测到电路板的安装位置典型的 PCB 材料并不是良好的热导体。沿 PCB 板长度的铜板 则被经常用来提高热导率。同样,散热通孔被用来提高电路板的热导率,一般是在混合器下方或电路板的安装位置。


       

  

PCB 上安装  
当单个印刷电路板不足以带走来自混合器的热量,那么就需要添加一个到这个组装上,如图 9 所示。此外,有意地将散热器、混合器与印刷电路板隔离有助降低印刷电路板和周围零件的温度。

 


                     另一个选择就是在印刷电路板穿孔,允许突出且与混合器的基部接触。再者,机械安装必须充分保
             证混合器和之间良好的热力接触。 


结论  

合理的系统散热设计对于保证混合式 DC-DC 转换器在军事级范围内可靠性工作必不可少。为保证 不超过温度等级必须知道转换器的工作温度会大于环境温度或散热器温度。转换器的工作温度以在 底盘中心为准,可由分析或测量来确定。了解实际温度有助于计算精确的可靠性, 而且可在设计复杂性 和可靠性之间作取舍