整流橋在不同散熱方式下的散熱分析李泉明

1、整流橋在不同散熱方式下的散熱分析與測量李泉明（艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司深圳 518057 ）摘要：本文針對(duì)整流橋不同冷卻方式的選擇和對(duì)其散熱過程的詳細(xì)分析，來闡述元器件廠家 提供的元器件熱阻（Rja和Rc ）的具體含義，并在此基礎(chǔ)上提出一種在技術(shù)上可行、使用上操作 性強(qiáng)的測量整流橋殼溫的方法，為電源產(chǎn)品合理應(yīng)用整流橋提供借鑒。關(guān)鍵詞：整流橋殼溫測量方法一、前言。全波整流橋的工作原理整流橋作為一種功率元器件，非常廣泛。應(yīng)用于各種電源設(shè)備,電路如圖1所示:圖1、全波整流橋的原理圖其內(nèi)部主要是由四個(gè)二極管組成的橋路來實(shí)現(xiàn)把輸入的交流電壓轉(zhuǎn)化為輸出的直流電壓。圖2、全波整流橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示，

2、在整流橋的每個(gè)工作周期內(nèi)，同一時(shí)間只有兩個(gè)二極管進(jìn)行工作，通過二極 管的單向?qū)üδ?，把交流電轉(zhuǎn)換成單向的直流脈動(dòng)電壓。對(duì)一般常用的小功率整流橋（如： RECTRON SEMICONDUCTORS2501M進(jìn)行解剖會(huì)發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該全波整流橋采用塑料封裝結(jié)構(gòu)（大多數(shù)的小功率整流橋都是采用該封裝形式）。橋內(nèi)的四個(gè)主要發(fā)熱元器件一一二極管被分成兩組分別放置在直流輸出的引腳銅板上。在直流輸出引腳 銅板間有兩塊連接銅板，他們分別與輸入引腳（交流輸入導(dǎo)線）相連，形成我們?cè)谕庥^上看見 的有四個(gè)對(duì)外連接引腳的全波整流橋。由于該系列整流橋都是采用塑料封裝結(jié)構(gòu)，在上述的二 極管、引腳銅板、連接銅

3、板以及連接導(dǎo)線的周圍充滿了作為絕緣、導(dǎo)熱的骨架填充物質(zhì)一一環(huán) 氧樹脂。然而，環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)是比較低的（一般為cw/m最高為c w/m,因此整流橋的結(jié)-殼熱阻一般都比較大（通常為c /w）o通常情況下，在元器件的相關(guān)參數(shù)表里，生產(chǎn)廠家都 會(huì)提供該器件在自然冷卻情況下的結(jié)一環(huán)境的熱阻（Ra）和當(dāng)元器件自帶一散熱器，通過散熱器進(jìn)行器件冷卻的結(jié)-殼熱阻（Rc）o二、自然冷卻一般而言，對(duì)于損耗比較?。ǎ┑脑骷伎梢圆捎米匀焕鋮s的方式來解決元器件的散熱問題。當(dāng)整流橋的損耗不大時(shí)，可采用自然冷卻方式來處理。此時(shí)，整流橋的散熱途徑主要有 以下兩個(gè)方面：整流橋的殼體（包括前后兩個(gè)比較大的散熱面和上下與左右

4、散熱面）和整流橋 的四個(gè)引腳。通常情況下，整流橋的上下和左右的殼體表面積相對(duì)于前后面積都比較小，因此 在分析時(shí)都不考慮通過這四個(gè)面（上下與左右表面）的散熱。jc,back+RPCB,a圖3、自然冷卻時(shí)的散熱途徑如圖3所示，在這兩個(gè)主要的散熱途徑中，由于自然冷卻散熱的換熱系數(shù)一般都比較小 （10W/m2C）,并且整流橋前后散熱面的絕對(duì)面積也比較小，因此實(shí)際上通過該途徑的散熱量也是十分有限的；由于引腳銅板是直接與發(fā)熱元器件（二級(jí)管）相連接的，并且其材料為銅， 導(dǎo)熱性能很好，所以在自然冷卻散熱的情況下，整流橋的大部分損耗是通過該引腳把熱量傳遞 給PCB板，然后由PCB板擴(kuò)充其換熱面積而散發(fā)到周圍的環(huán)

5、境中去。具體的分析計(jì)算如下： 1、整流橋表面熱阻如圖2所示，可以得到整流橋的正向散熱面距熱源的距離為，背向散熱面距熱源的距離為;由于整流橋的上下及左右外表面積很小，因此忽約其熱量在這四個(gè)表面的散發(fā)，可以得到整流 橋正面和背面的傳熱熱阻為：一個(gè)二極管的熱阻為：Rjc, f ,diodeF0.001727.2C /W2.50.005 0.0050.0009Rjc,b,diode14.4C /WF2.50.005 0.005由于在同一時(shí)間，整流橋內(nèi)的四個(gè)二極管只有兩個(gè)在同時(shí)進(jìn)行工作，因此整流橋正面與背 面的傳熱熱阻應(yīng)分別為兩個(gè)二極管熱阻的并聯(lián)，即：Rjc,f 0.5 Rjc, f,diode 13.

6、6C /WRjc,b0.5 Rjc,b,diode 7.2C /W由于整流橋表面到周圍空氣間的散熱為自然對(duì)流換熱，則整流橋殼體表面的自然冷卻 熱阻為：Reah由上所述，Rja, frontRja ,back166.7C/WF 10.0 0.02 0.03可以得到整流橋通過殼體表面（正面和背面）的結(jié)溫與環(huán)境的熱阻分別為:Rjc,fRca 13.6 166.7 180.3C/WRjc,b7.2166.7173.9C/W則整流橋通過殼體表面途徑對(duì)環(huán)境進(jìn)行傳熱的總熱阻為:88.53C/WRja,caseRja ,frontRja,back180.3173.912、整流橋引腳熱阻假設(shè)整流橋焊接在 PCB

7、板上，其引腳的長度為 整流橋一個(gè)引腳的熱阻為：（從二極管的基銅板到PCB板上的焊盤），則0.012Rj,PCB,one37.69C/W398 0.0008 0.001在整流橋內(nèi)部，四個(gè)二極管是分成兩組且每組共用一個(gè)引腳銅板，因此整流橋通過引腳散 熱的熱阻為這兩個(gè)引腳的并聯(lián)熱阻：Rj,PCB,f00t.5 Rj,PCB,onefoot18.84C /W一方面由于PCB板的熱容比較大，另一方面冷卻風(fēng)與PCB板的接觸面積較大，其換熱條件較好，假設(shè)其PCB板的實(shí)際有效散熱面積為整流橋表面積的2倍，則PCB板與環(huán)境間的傳熱熱阻為：RpCBa: 41.67C/Wh F 10 0.03 0.02 2 2故，

8、通過整流橋引腳這條傳熱途徑的熱阻為：Rja,foot Rj,PCB,footRpCB,a60.5C /W比較上述兩種傳熱途徑的熱阻可知：整流橋通過殼體表面自然對(duì)流冷卻進(jìn)行散熱的熱阻（Rja,case 88.53C/W）是通過引腳進(jìn)行散熱這種散熱途徑的熱阻（Rjase 60.5C/W）的倍。于是我們可以得出如下結(jié)論：在自然冷卻的情況下，整流橋的散熱主要是通過其引腳線（輸出引腳正負(fù)極）與 PCB板的焊盤來進(jìn)行的。因此，在整流橋的損耗不大，并用自然冷卻方式進(jìn) 行散熱時(shí)，我們可以通過增加與整流橋焊接的PCB表面的銅覆蓋面積來改善其整流橋的散熱狀況。同時(shí)，我們可以根據(jù)上述的兩條傳熱途徑得到整流橋內(nèi)二極管

9、結(jié)溫到周圍環(huán)境間的總熱阻， 即：RjaRja ,caseRja, foot60.588.5335.94C/W其實(shí)這個(gè)熱阻也就是生產(chǎn)廠家在整流橋等元器件參數(shù)表中的所提供的結(jié)一環(huán)境的熱阻。并且在自然冷卻的情況， 也只有該熱阻具有實(shí)在的參考價(jià)值，其它的諸如Rc也沒有實(shí)在的計(jì)算依據(jù)，這一點(diǎn)可以通過在強(qiáng)迫風(fēng)冷情況下的傳熱路徑的分析得出。三、強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻當(dāng)整流橋等功率元器件的損耗較高時(shí)（）,采用自然冷卻的方式已經(jīng)不能滿足其散熱的需求，此時(shí)就必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式來確保元器件的正常工作。采用強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，可以分成兩 種情況來考慮：a）整流橋不帶散熱器；b）整流橋自帶散熱器。1、整流橋不帶散熱器對(duì)于整流橋不帶散

10、熱器而采用強(qiáng)迫風(fēng)冷這種情況，其分析的過程同自然冷卻一樣，只不過 在計(jì)算整流橋外殼向環(huán)境間散熱的熱阻和PCB板與環(huán)境間的傳熱熱阻時(shí)，對(duì)其換熱系數(shù)的選擇應(yīng)該按照強(qiáng)迫風(fēng)冷情形來進(jìn)行，其數(shù)值通常為20-30W/m2G也即是：Rjc,f 13.6C/WRjc,b 7.2C/WRj, PCB, foot18.84C/WRcaca h F1RpCB,a66.7C/W 25.0 0.02 0.03116.67C/W h F 25 0.03 0.02 2 2于是可以得到整流橋殼體表面的傳熱熱阻和通過引腳的傳熱熱阻為：Rjc,f Rca 13.6 66.780.3C/WRja, frontRja,case1138

11、.48C/W1111Rja, frontRja ,back80.373.9Rja, footRj, PCB, footRPCB,a18.8416.6735.51C/Wja ,backRjc,bRca于是整流橋的結(jié)一環(huán)境的總熱阻為:7.2 66.773.9C/WRja18.47C/WRja,caseRja, foot38.4835.51由上述整流橋不帶散熱器的強(qiáng)迫對(duì)流冷卻分析中可以看出，通過整流橋殼體表面的散熱途 徑與通過引腳進(jìn)行散熱的熱阻是相當(dāng)?shù)?，一方面我們可以通過增加其冷卻風(fēng)速的大小來改變整流橋的換熱狀況，另一方面我們也可以采用增大PCB板上銅的覆蓋率來改善 PCB板到環(huán)境間的換熱，以實(shí)現(xiàn)提

12、高整流橋的散熱能力。2、整流橋自帶散熱器當(dāng)整流橋自帶散熱器進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷來實(shí)現(xiàn)其散熱目的時(shí)，該種情況下的散熱途徑如下圖所示：Rc front +R caRc back +R cHeatsink +RRjPCB,foot+ RpCB,a圖4、帶散熱器強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)的散熱途徑對(duì)比整流橋自然冷卻和帶散熱器的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱這兩種散熱途徑，可以發(fā)現(xiàn)其根本的差異 在于：散熱器的作用大大地改善了整流橋殼體與環(huán)境間的散熱熱阻。如果忽約散熱器與整流橋 間的接觸熱阻，則結(jié)合整流橋不帶散熱器的傳熱分析，我們可以得到整流橋帶散熱器進(jìn)行冷卻 的各散熱途徑熱阻分別如下：（1）、整流橋殼體表面散熱熱阻a）整流橋正面殼體的散熱熱阻：

13、 同不帶散熱器的強(qiáng)迫風(fēng)冷一樣：Rja, frontRjc,fRca13.666.780.3C/Wb）整流橋背面殼體的散熱熱阻：Rja ,backRjc,bRcHeatsin kRHeat sin k,a假設(shè)忽約整流橋與殼體的接觸熱阻，則：Rc,Heatsink0 ；選擇散熱器與環(huán)境間熱阻的典型值為：RHeatsink,a1 .5C /W，于疋.Rja ,back Rjc,b RcHeatsin kRHeatsink,a7.21.58.7C/V則整流橋通過殼體表面散熱的總熱阻為：_ 1Rja,case7.85C/W8.780.3Rja ,frontRja ,back（2）、流橋通過引腳散熱的熱阻

14、：此時(shí)的熱阻同整流橋不帶散熱器進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)的情形一樣，于是有:Rj,PCB,foot18.84C/WRPCB,a1 116.67C /W h F 25 0.03 0.02 2 2Rja, footRj,PCB,footRpCB,a18.84 16.6735.51C/W于是我們可以得到，在整流橋帶散熱器進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)的散熱總熱阻為上述兩個(gè)傳熱途徑 的并聯(lián)熱阻：Rja11 廠Rja,caseRja ,foot6.43C/W1 17.85 35.51仔細(xì)分析上述的計(jì)算過程和各個(gè)傳熱途徑的熱阻數(shù)值，我們可以得出在整流橋帶散熱器進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)的如下結(jié)論： 在上述的三個(gè)傳熱途徑中（整流橋正面?zhèn)鳠帷⒄鳂?/p>

15、背面通過散熱器的傳熱和整流橋通過引腳的傳熱），整流橋背面通過散熱器的傳熱熱阻最小，而通過殼體正面的傳熱熱阻最大，通過引腳的熱阻居中； 比較整流橋散熱的總熱阻和通過背面散熱器傳熱的熱阻數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)：通過殼體背面散 熱器傳熱熱阻與整流橋的總熱阻十分相當(dāng)。其實(shí)該結(jié)論也說明了，在此種情況下，整流橋的主 要傳熱途徑是通過殼體背面的散熱器來進(jìn)行的，也就是整流橋上絕大部分的損耗是通過散熱器 來排放的，而通過其它途徑（引腳和殼體正面）的散熱量是很少的。 由于此時(shí)整流橋的散熱狀況與散熱器的熱阻密切相關(guān)，因此散熱器熱阻的大小將直接影 響到整流橋上溫度的高低。由此可以看出，在生產(chǎn)廠家所提供的整流橋參數(shù)表中關(guān)于整流橋

16、帶散熱器的熱阻時(shí)，只可能是整流橋背面的結(jié)-殼（Rjc）或整流橋殼體上的總的結(jié)-殼熱阻（正面和背面熱阻的并聯(lián)）；此時(shí)的結(jié)-環(huán)境的熱阻已經(jīng)沒有參考價(jià)值，因?yàn)樗请S著散熱器的熱阻而顯著地發(fā)生變化的。四、整流橋在強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻時(shí)殼溫的確定由以上兩種情況三種不同散熱冷卻形式的分析與計(jì)算，我們可以得出：在整流橋自然冷卻 時(shí)，我們可以直接采用生產(chǎn)廠家所提供的結(jié)-環(huán)境熱阻（懇），來計(jì)算整流橋的結(jié)溫，從而可以方便地檢驗(yàn)我們的設(shè)計(jì)是否達(dá)到功率元器件的溫度降額標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)整流橋采用不帶散熱器的強(qiáng)迫 風(fēng)冷情況，由于在實(shí)際使用中很少采用，在此不予太多的討論。如果在應(yīng)用中的確涉及該種情 形，可以借鑒整流橋自然冷卻的計(jì)算方法；對(duì)

17、整流橋采用散熱器進(jìn)行冷卻時(shí)，我們只能參考廠 家給我們提供的結(jié)-殼熱阻（Rc），通過測量整流橋的殼溫從而推算出其結(jié)溫，達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)康摹Ｔ诖?，我們著重討論該?jì)算殼溫測量點(diǎn)的選取及其相關(guān)的計(jì)算方法，并提出一種在實(shí)際應(yīng)用中 可行、在計(jì)算中又可靠的測量方法。T case,backRcbfQ backT case,fro ntQfrontRc,f圖4、整流橋強(qiáng)迫風(fēng)冷分析示意圖從前面對(duì)整流橋帶散熱器來實(shí)現(xiàn)其散熱過程的分析中可以看出，整流橋主要的損耗是通過其背面的散熱器來散發(fā)的，因此在此討論整流橋殼溫如何確定時(shí)，就忽約其通過引腳的傳熱量。 現(xiàn)結(jié)合RS2501M整流橋在110VAC電源模塊上應(yīng)用的損耗（最大為）來

18、分析。假設(shè)整流橋殼體外表面上的溫度為結(jié)溫（即），表面換熱系數(shù)為miC （在一般情況下，強(qiáng)迫風(fēng)冷的對(duì)流換熱系數(shù)為20-40W/m2C）。那么在環(huán)境溫度為時(shí)，通過整流橋正表面散發(fā)到環(huán)境中的熱量為：Qfront h T F 50 （150 55） 0.02 0.03 2.85W忽約整流橋引腳的傳熱量，則通過整流橋背面的傳熱量為：QbackQ Qfront22.0 2.85 19.15W由于在整流橋殼體表面上的兩個(gè)傳熱途徑上（殼體正面、殼體背面）的熱阻分別為：Rjc,f 13.6C/WRjc,b 7.2C/W根據(jù)熱阻的定義式有:TjTc, frontRjc,fQ frontTjT c ,backR j

19、c,bQback所以：TjTc, frontRjc,fQ front13.62.85H OOTjTc,backRjc,bQback7.20.2819.15由上式可以看出：整流橋的結(jié)溫與殼體正面的溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)溫與殼體背面的溫差，也就 是說，實(shí)際上整流橋的殼體正表面的溫度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其背面的溫度的。如果我們?cè)跍y量時(shí)，把 整流橋殼體正面溫度（通常情況下比較好測量）來作為我們計(jì)算的殼溫，那么我們就會(huì)過高地 估計(jì)整流橋的結(jié)溫了！那么既然如此，我們應(yīng)該怎樣來確定計(jì)算的殼溫呢由于整流橋的背面是和散熱器相互連接 的，并且熱量主要是通過散熱器散發(fā)，散熱器的基板溫度和整流橋的背面殼體溫度間只有接觸 熱阻。一般而言

20、，接觸熱阻的數(shù)值很小，因此我們可以用散熱器的基板溫度的數(shù)值來代替整流 橋的殼溫，這樣不僅在測量上易于實(shí)現(xiàn)，還不會(huì)給最終的計(jì)算帶來不可容忍的誤差。五、整流橋在強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)的仿真分析前面本文從不同情形下的傳熱途徑著手，用理論的方法分析了整流橋在三種不同冷卻方式 下的傳熱過程，在此本文通過仿真軟件詳細(xì)的整流橋模型來對(duì)帶有散熱器、強(qiáng)迫風(fēng)冷下的整流 橋散熱問題進(jìn)行進(jìn)一步的闡述。圖5、仿真計(jì)算模型如上圖是仿真計(jì)算的模型外型圖。在該模型中，通過解剖一整流橋后得到的相關(guān)尺寸參數(shù) 來進(jìn)行仿真分析模型的建立。其仿真分析結(jié)果如下所示：f4TVH冊(cè)2圖6、整流橋散熱器基板溫度分布有上圖可以看出，整流橋散熱器的基板溫度分布相對(duì)而言還是比較均勻的，約70 C左右。即使在四個(gè)二極管正下方的溫度與整流橋殼體背面與散熱器相接觸的外邊緣，也僅僅只有5 C左右的溫差。這主要是由于散熱器基板是一有一定厚度且導(dǎo)熱性能較好的鋁板，它能夠有效地 把整流橋背面的不均勻溫度進(jìn)行均勻化。圖7、整流橋殼體正面表面溫度分布上圖是整流橋殼體正面表面的溫度分布。從上圖可以看出，整流橋殼體正面的溫度分布是 極不均勻的，在熱源（二極管）的正上方其表面溫度達(dá)到109 C,然而在整流橋的中間