Technologie PCB - Analyse de la conception thermique des alimentations à découpage à carte haute fréquence

1. Introduction les produits électroniques ont généralement des exigences strictes pour la température de fonctionnement. Une augmentation excessive de la température interne du dispositif d'alimentation peut entraîner la défaillance de composants tels que les dispositifs semi - conducteurs sensibles à la température, les condensateurs électrolytiques et autres. Lorsque la température dépasse une certaine valeur, le taux de défaillance augmente exponentiellement. Les statistiques montrent que la fiabilité des composants électroniques diminue de 10% pour chaque augmentation de 2°C; La durée de vie à un réchauffement de 50 ° c est seulement 1 / 6 de celle à un réchauffement de 25 ° c. Ainsi, l'électronique répondra aux exigences de contrôle de la montée en température de l'ensemble du châssis et des composants internes. C'est la conception thermique de l'électronique. Pour les alimentations à découpage à plaques haute fréquence avec des dispositifs de chauffage haute puissance, la température est le facteur le plus important qui affecte leur fiabilité. Par conséquent, il existe des exigences strictes pour la conception thermique globale. La conception thermique complète comprend deux aspects: comment contrôler la chaleur produite par la source de chaleur; Comment dissiper la chaleur produite par la source de chaleur. L'objectif final est de savoir comment contrôler la température de l'électronique dans les limites permises après avoir atteint l'équilibre thermique.

2. Les principaux éléments chauffants dans l'alimentation à découpage de conception de contrôle de chauffage sont les tubes de commutation à semi - conducteur (tels que MOSFET, IGBT, GTR, SCR, etc.), les diodes de haute puissance (telles que les diodes de récupération ultra - rapides, les diodes Schottky, etc.), les transformateurs haute fréquence, les éléments magnétiques tels que l'inductance de filtrage et les fausses charges, etc. Chaque élément chauffant a une méthode différente de contrôle de la production de chaleur. 2.1 Le tube de l'interrupteur de production de chaleur qui réduit l'interrupteur de puissance est l'un des composants qui produisent plus de chaleur dans l'alimentation à découpage haute fréquence. Réduire sa chaleur peut non seulement améliorer la fiabilité du tube de commutation lui - même, mais aussi réduire la température de la machine entière, améliorer l'efficacité de la machine entière et le temps moyen sans problème. (MTBF). Le tube interrupteur, en fonctionnement normal, est dans les deux états conducteur et bloqué, les pertes générées pouvant être subdivisées en pertes dues aux deux états critiques et pertes dues à l'état conducteur. Dans lequel les pertes de conduction sont déterminées par la résistance de conduction du tube de commutation lui - même. Cette perte peut être réduite en choisissant un tube interrupteur à faible résistance de conduction. Le MOSFET a une résistance à la conduction supérieure à celle de l'IGBT, mais il fonctionne à une fréquence plus élevée, il reste donc le dispositif de choix pour la conception d'alimentation à découpage. Maintenant, les MOSFET de puissance hexfet (hexagonal Field Effect Transistor) de la nouvelle série irl3713 d’ir ont atteint une résistance à l’état passant de 3 m, ce qui permet à ces dispositifs de réduire les pertes en conduction, les charges de grille et les pertes de commutation. APT Corporation of America a un produit similaire. Il est également possible de réduire les pertes dans les deux états critiques de la conduction et de la fermeture en choisissant des dispositifs qui commutent plus rapidement et qui ont des temps de récupération plus courts. Mais il est plus important de réduire les pertes en concevant de meilleures méthodes de contrôle et des techniques d'amortissement. Cette méthode peut présenter des avantages lorsque la fréquence de commutation est élevée. Par example, diverses techniques de commutation douce permettent de rendre le tube de commutation conducteur ou bloqué à tension nulle et à courant nul, ce qui réduit considérablement les pertes dues à ces deux états. Cependant, d'un point de vue des coûts, certains fabricants utilisent encore la technologie de commutation dure et peuvent réduire les pertes et améliorer la fiabilité des tubes de commutation grâce à divers types de technologie tampon. 2.2 réduction de la production de chaleur par les diodes de puissance dans les alimentations à commutation haute fréquence, les diodes de puissance ont de nombreuses applications, Et le type choisi est également différent. Pour les diodes de puissance qui redressent le courant alternatif d'entrée 50 Hz en courant continu et les diodes de récupération rapide dans les circuits tampons, dans des conditions normales, il n'y aura pas de meilleure technologie de contrôle pour réduire les pertes et seuls des dispositifs de haute qualité seront choisis, par example en utilisant des tensions de conduction. Diodes Schottky inférieures ou diodes de récupération ultra - rapides avec des vitesses de blocage plus rapides et une récupération en douceur pour réduire les pertes et la chaleur. Le circuit de redressement du côté secondaire du transformateur haute fréquence peut également adopter une méthode de redressement synchrone, réduisant davantage la perte de perte de charge redressée et la génération de chaleur, mais les deux augmentent le coût. Par conséquent, comment les fabricants peuvent saisir l'équilibre entre les performances et les coûts pour atteindre le meilleur rapport qualité - prix est une question qui mérite d'être étudiée.2.3 réduire la production de chaleur des composants magnétiques tels que les transformateurs haute fréquence et les inductances de filtrage.divers composants magnétiques sont indispensables dans les alimentations à découpage haute fréquence, telles que les selfs dans les filtres, Inductances de filtrage de stockage d'énergie, alimentations isolées et transformateurs haute fréquence. Ils génèrent des pertes plus ou moins importantes de cuivre et de fer au cours de leur travail, qui sont dissipées sous forme de chaleur. Pour les inducteurs et les transformateurs en particulier, les pertes de cuivre sont doublées par le courant haute fréquence circulant dans la bobine en raison de l'effet de chimiotaxie, de sorte que les pertes causées par les inducteurs et les transformateurs deviennent une partie non négligeable. Par conséquent, dans la conception, plusieurs fils minces laqués doivent être enroulés en parallèle, ou des feuilles de cuivre larges et minces doivent être enroulées pour réduire les effets de l'effet dermocosmétique. Les noyaux magnétiques sont généralement fabriqués à partir de matériaux en Ferrite de haute qualité, tels que le matériau magnétique TDK produit au Japon. Une certaine marge doit être laissée en option pour éviter la saturation magnétique.? 2.4 réduire la quantité de chaleur générée par les fausses charges afin d'éviter les élévations de tension causées par l'état à vide, les alimentations à découpage de forte puissance sont généralement équipées de résistances de forte puissance à fausses charges. C'est notamment le cas pour les alimentations à cellules PFC source. Lorsque l'alimentation à découpage fonctionne, la charge virtuelle doit traverser une petite quantité de courant, ce qui non seulement réduit l'efficacité de l'alimentation à découpage, mais sa production de chaleur est également un facteur qui affecte la stabilité thermique de l'ensemble de la machine. L'emplacement de la fausse charge sur la plaque imprimée (PCB) est généralement très proche du condensateur électrolytique utilisé pour le filtrage de sortie et le condensateur électrolytique est très sensible à la température. Il est donc nécessaire de réduire le pouvoir calorifique de la pseudo - charge. Une méthode plus viable consiste à concevoir la charge virtuelle comme une méthode à impédance variable. La taille de la pseudo - impédance de charge est contrôlée en détectant le courant de sortie de l'alimentation à découpage. Lorsque l'alimentation est en charge normale, la pseudo - charge sort de l'état de consommation de courant; Lorsqu'il n'y a pas de charge, la pseudo - charge consomme le plus de courant. Cela n'affecte ni la stabilité de l'alimentation lorsqu'elle est à vide, ni ne diminue son efficacité et ne génère pas beaucoup de chaleur inutile. Conception de la dissipation de chaleur 3.1 Méthodes de base de la dissipation de chaleur et méthodes de calcul il existe trois méthodes de base de la dissipation de chaleur: conductivité thermique, convection