當前，電子設備的主要失效形式就是熱失效。據統計，電子設備的失效有55％是溫度超過規定值引起的，隨著溫度的增加，電子設備的失效率呈指數增長。所以，功率器件熱設計是電子設備結構設計中不可忽略的一個環節，直接決定了產品的成功與否，良好的熱設計是保證設備運行穩定可靠的基礎。

開關電源熱設計是指在開關電源的設計過程中，通過合理的熱設計技術，使電源能夠在規定的溫度范圍內正常工作。開關電源熱設計的主要技術包括熱封裝技術、冷封裝技術、散熱器技術、熱管理技術等。熱封裝技術是將電子元件封裝在一個熱熔膠中，以保護元件免受外界環境的損害，并使元件能夠正常工作。

冷封裝技術是將電子元件封裝在一個塑料外殼中，以保護元件免受外界環境的損害，并使元件能夠正常工作。散熱器技術是將電子元件與散熱器連接，以提高散熱效率，使元件能夠正常工作。熱管理技術是指在開關電源的設計過程中，通過合理的熱管理技術，使電源能夠在規定的溫度范圍內正常工作。

功率器件熱設計

功率器件熱設計主要是防止器件出現過熱或溫度交變引起的熱失效，可分為器件內部芯片的熱設計、封裝的熱設計和管殼的熱設計以及功率器件實際使用中的熱設計。

對于一般的功率器件，只需要考慮器件內部、封裝和管殼的熱設計，而當功耗較大時，則需要安裝合適的散熱器，通過其有效散熱，保證器件結溫在安全結溫之內正?？煽康墓ぷ?。

開關電源電路的熱設計流程

1）分析電源電路的布局結構，確定主要發熱單元;根據電路理論中的相關公式，求得各發熱單元的理論損耗值。

2）分析電源電路對應的熱路，確定傳熱途徑，繪出等效的熱模型。根據熱設計理論，計算各個元器件的熱阻值;根據熱路圖建立熱平衡方程式，分析溫度場分布特性，解出各節點的溫度值;根據熱路模型與電氣模型的對應關系，確立電氣模型。

3）建立該電路的3D熱模型。利用專業熱仿真軟件（如Flotherm、ANSYS等），根據流體力學和數值傳熱學原理，采用有限元體積法，對建立的模型進行數值計算﹔根據計算結果，得出最佳方案。

4）模型或樣機試驗分析。通過對模型或樣機測試測量，檢驗理論計算與試驗結果的偏差程度。

5）除了熱設計，還應考慮可靠性、安全性、維修性及電磁兼容性的協同設計。

在不影響產品本體性能的條件下，針對開關電源電路的具體要求，并結合元器件的熱分析，選擇合適的冷卻方式，是進行開關電源電路熱設計的主要工作。熱設計的原則：一是減少發熱量，即選用最優的控制方法和技術，如移相全橋技術，同步整流技術等;另外，選擇使用低功耗器件，減少發熱器件的數目，加大加粗印制線的寬度，提高電源效率;二是采用電源內部的熱交換機制，采用傳導、對流和輻射三種方式，如散熱器、風冷（自然對流和強迫風冷）、液冷（水和油）熱管等，將電源內部多余的熱量轉移。

熱系統分析實際上是歐姆定律的變形，有直接與電氣領域的元器件相對應的等效元件。電路中的每個元器件和節點對應實際設計結構中的一個物理結構體或表面，電源則對應電路中的一個發熱元器件，它產生可計算或測量的功率。損耗就是發熱，開關電源電路中功率器件的損耗和變壓器的損耗是不可忽略的因素。它不僅會影響到元器件的可靠性，而且對開關電源的輸出也產生影響。

功率器件的損耗主要包括開關損耗Pru、導通損耗Pc和門極驅動損耗Pg。表征功率器件熱能力的參數主要有結溫Tj和熱阻Ro。當結溫高于周圍環境溫度Ta時，Tj隨著溫差（Tj一Ta）的增大而增大，為了保證器件能夠長期正常工作，必須規定最大結溫Timax。Timax的大小是根據器件的封裝材料、芯片材料和可靠性的要求確定的。功率器件的散熱能力主要通過熱阻來表征。熱阻越大，散熱能力越差。熱阻主要分為內熱阻和外熱阻兩個部分：前者是器件本身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導熱率、厚度和器件的加工工藝有關;后者則與管殼的封裝形式有關。通常管殼的表面積越大，熱阻越小。功率器件的熱設計主要分為器件內部芯片的熱設計，封裝的熱設計，管殼的熱設計，以及功率器件實用熱設計。電源設計工程師的主要工作是針對功率器件的實用熱設計，其目的是通過計算功率器件的損耗，選擇合適的散熱器和合理的電路布局;通過散熱器的有效散熱，保證器件的結溫在安全的結溫之內，且能長期正?？煽康毓ぷ?。

變壓器的損耗包括：鐵心的損耗（鐵損）和線圈的損耗（銅損）。變壓器的鐵損和銅損分別構成它的兩個熱源。由于熱輻射的原因，磁芯產生熱量的大部分直接散發到周圍空氣中，而小部分熱量則先傳遞給線圈，然后再由線圈散發到空氣中。同樣，線圈產生的熱量也有相似的傳熱方式，即部分直接散熱到空氣，另一部分則先傳遞給磁芯，再散發到空氣。隨著開關電源工作頻率的不斷提高，損耗（包括鐵心損耗和銅損）也在急劇增大。為了提高變壓器的功率密度和熱性能，以防止熱失效，除了需要研究其損耗減小技術（包括開發具有良好高頻損耗特性的新型功率鐵氧體材料和線圈設計技術）、封裝技術以及散熱技術外，還需積極研究包括熱模型以及溫度設計準則等熱設計技術。電源設計師應該針對變壓器的線圈設計技術。散熱技術、創建熱模型，以及利用熱仿真軟件等，進行深入的研究。