基于有限元法的开关电源热设计技术的研究

摘要

开关电源广泛应用于电力、轨道交通、石化、冶金等领域。它逐步向小型化、高频化、高功率密度的方向发展，应用领域环境日趋严峻，因而对开关电源的可靠性提出了更高的要求。温度是影响开关电源可靠性的重要因素。开关电源的温度过高，严重影响了开关电源可靠性的提高，同时也降低其使用寿命。开关电源的热设计对于提高开关电源可靠性和寿命具有重要的作用。因此，开关电源热设计是十分必要的，并且成为开关电源设计的重要环节。
　　本文以工作于密闭电源盒内的开关电源为研究对象，针对其节点温度过高和多热源之间的相互影响导致可靠性降低的问题，提出了一种适用于开关电源热分析和热设计的有限元方法。利用这种方法分析开关电源的热特性，对开关电源进行热设计，降低了开关电源主要器件的节点温度，改善了开关电源的温度分布，提高了开关电源的可靠性，延长了寿命。
　　本文首先根据传热学理论，分析开关电源的散热途径，建立开关电源稳态热场的数学模型，并应用变分原理得到其等价的泛函形式。然后，利用有限元热分析软件ANSYS，对开关电源模型进行简化处理，建立开关电源的有限元模型，对特定工况的开关电源的三维温度场进行仿真分析，并将仿真结果与用红外热像仪拍摄的实际数值进行比较，验证了借助有限元软件ANSYS建立的有限元模型和所施加的载荷与边界条件的正确性，证明了该方法的可行性。针对开关电源的稳态温度分布情况和影响散热的主要因素，分别对开关电源的电路布局、内部介质和外壳的结构进行设计。最后，针对开关电源的温度分布情况，利用GJB/Z299C-2006中元器件应力分析可靠性预计法对开关电源进行可靠性预计，计算开关电源的失效率，推算其寿命。进行试产，根据开关电源具体的失效率，分析失效原因。验证有限元方法对开关电源进行的热设计是否满足热设计的目标，保证其长期安全、可靠的运行。
　　本文利用有限元法对开关电源进行热设计，降低了开关电源主要器件的节点温度，提高了开关电源的可靠性，延长了寿命，具有重要的实用价值。

目录

基于有限元法的开关电源热设计技术的研究

RESEARCH ON THERMAL DESIGN TECHNOLOGY OF SWITCHING MODE POWER SUPPLY BASED ON FINITE ELEMENT METHOD

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 课题的研究目的和意义

1.3 课题相关的国内外研究现状

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 开关电源热设计技术的理论基础

2.1 传热学的理论基础

2.2 开关电源的整机数学模型

2.3 本章小结

第3章 基于有限元法的开关电源热特性分析

3.1 引言

3.2 有限元法的基本原理

3.3 开关电源的三维温度场仿真

3.4 结果分析

3.5 本章小结

第4章 基于有限元法的开关电源热设计

4.1引言

4.2 热设计的基本要求和目的

4.3 开关电源的热设计

4.4 开关电源的热设计对可靠性的影响

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢