整流橋在不同散熱方式下的散熱分析李泉明

整流橋在不相同散熱方式下的散熱解析與測(cè)量李泉明（艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司深圳518057）大綱：本文針對(duì)整流橋不相同冷卻方式的選擇和對(duì)其散熱過(guò)程的詳細(xì)解析，來(lái)闡述元器件廠家供應(yīng)的元器件熱阻（Rja和Rjc）的詳細(xì)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(cè)量整流橋殼溫的方法，為電源產(chǎn)品合理應(yīng)用整流橋供應(yīng)借鑒。要點(diǎn)詞：整流橋殼溫測(cè)量方法一、前言整流橋作為一種功率元器件，特別廣泛。應(yīng)用于各種電源設(shè)備，。全波整流橋的工作原理電路如圖1所示：圖1、全波整流橋的原理圖其內(nèi)部主若是由四個(gè)二極管組成的橋路來(lái)實(shí)現(xiàn)把輸入的交流電壓轉(zhuǎn)變成輸出的直流電壓。圖2、全波整流橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)表示圖如上圖所示，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，經(jīng)過(guò)二極管的單導(dǎo)游通功能，把交流電變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：RECTRONSEMICONDUCTOR的S2501M）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——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(jiàn)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)——環(huán)氧樹(shù)脂。但是，環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)是比較低的（一般為℃W/m，最高為℃W/m），因此整流橋的結(jié)--殼熱阻一般都比較大（平時(shí)為℃/W）。平時(shí)狀況下，在元器件的相關(guān)參數(shù)表里，生產(chǎn)廠家都會(huì)供應(yīng)該器件在自然冷卻狀況下的結(jié)—環(huán)境的熱阻（Rja）和當(dāng)元器件自帶一散熱器，經(jīng)過(guò)散熱器進(jìn)行器件冷卻的結(jié)--殼熱阻（Rjc）。二、自然冷卻一般而言，關(guān)于耗費(fèi)比較?。?lt;）的元器件都能夠采用自然冷卻的方式來(lái)解決元器件的散熱問(wèn)題。當(dāng)整流橋的耗費(fèi)不大時(shí)，可采用自然冷卻方式來(lái)辦理。此時(shí)，整流橋的散熱路子主要有以下兩個(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散熱面）和整流橋的四個(gè)引腳。平時(shí)狀況下，整流橋的上下和左右的殼體表面積相關(guān)于前后邊積都比較小，因此在解析時(shí)都不考慮經(jīng)過(guò)這四個(gè)面（上下與左右表面）的散熱。Rjc,back+RcaRjc,front+RcaRjPCB,foot+RPCB,a圖3、自然冷卻時(shí)的散熱路子如圖3所示，在這兩個(gè)主要的散熱路子中，由于自然冷卻散熱的換熱系數(shù)一般都比較?。?lt;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)質(zhì)上經(jīng)過(guò)該路子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，并且其資料為銅，導(dǎo)熱性能很好，因此在自然冷卻散熱的狀況下，整流橋的大多數(shù)耗費(fèi)是經(jīng)過(guò)該引腳把熱量傳達(dá)給PCB板，爾后由PCB板擴(kuò)大其換熱面積而發(fā)散到周圍的環(huán)境中去。詳細(xì)的解析計(jì)算以下：1、整流橋表面熱阻如圖2所示，能夠獲取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表面面積很小，因此忽約其熱量在這四個(gè)表面的發(fā)散，能夠獲取整流橋正面和反面的傳熱熱阻為：一個(gè)二極管的熱阻為：Rjc,f,diode0.001727.2CWF/2.50.0050.005Rjc,b,diode0.000914.4C/WF2.50.0050.005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,f0.5Rjc,f,diode13.6C/WRjc,b0.5Rjc,b,diode7.2C/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：Rca11166.7C/WhF10.00.020.03由上所述，能夠獲取整流橋經(jīng)過(guò)殼體表面（正面和反面）的結(jié)溫與環(huán)境的熱阻分別為：Rja,frontRjc,fRca13.6166.7180.3C/WRja,backRjc,bRca7.2166.7173.9C/W則整流橋經(jīng)過(guò)殼體表面路子對(duì)環(huán)境進(jìn)行傳熱的總熱阻為：Rja,case1111188.53C/W1Rja,frontRja,back180.3173.92、整流橋引腳熱阻假設(shè)整流橋焊接在PCB板上，其引腳的長(zhǎng)度為（從二極管的基銅板到PCB板上的焊盤(pán)），則整流橋一個(gè)引腳的熱阻為：Rj,PCB,one0.01237.69C/WF3980.00080.001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，因此整流橋經(jīng)過(guò)引腳散熱的熱阻為這兩個(gè)引腳的并聯(lián)熱阻：Rj,PCB,foot0.5Rj,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)質(zhì)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：1141.67C/WRPCB,a100.030.022hF2故，經(jīng)過(guò)整流橋引腳這條傳熱路子的熱阻為：Rja,footRj,PCB,footRPCB,a60.5C/W比較上述兩種傳熱路子的熱阻可知：整流橋經(jīng)過(guò)殼體表面自然對(duì)流冷卻進(jìn)行散熱的熱阻（Rja,case88.53C/W）是經(jīng)過(guò)引腳進(jìn)行散熱這種散熱路子的熱阻（Rja,case60.5C/W）的倍。于是我們能夠得出以下結(jié)論：在自然冷卻的狀況下，整流橋的散熱主若是經(jīng)過(guò)其引腳線（輸出引腳正負(fù)極）與PCB板的焊盤(pán)來(lái)進(jìn)行的。因此，在整流橋的耗費(fèi)不大，并用自然冷卻方式進(jìn)行散熱時(shí)，我們能夠經(jīng)過(guò)增加與整流橋焊接的PCB表面的銅覆蓋面積來(lái)改進(jìn)其整流橋的散熱狀況。同時(shí)，我們能夠依照上述的兩條傳熱路子獲取整流橋內(nèi)二極管結(jié)溫到周圍環(huán)境間的總熱阻，即：Rja1111135.94C/W1Rja,caseRja,foot60.588.53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)表中的所供應(yīng)的結(jié)—環(huán)境的熱阻。并且在自然冷卻的狀況，也只有該熱阻擁有實(shí)在的參照價(jià)值，其他的諸如Rjc也沒(méi)有實(shí)在的計(jì)算依照，這一點(diǎn)能夠經(jīng)過(guò)在強(qiáng)迫風(fēng)冷狀況下的傳熱路徑的解析得出。三、強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻當(dāng)整流橋等功率元器件的耗費(fèi)較高時(shí)（>），采用自然冷卻的方式已經(jīng)不能夠滿足其散熱的需求，此時(shí)就必定采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式來(lái)保證元器件的正常工作。采用強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，能夠分成兩種狀況來(lái)考慮：a)整流橋不帶散熱器；b)整流橋自帶散熱器。1、整流橋不帶散熱器關(guān)于整流橋不帶散熱器而采用強(qiáng)迫風(fēng)冷這種狀況，其解析的過(guò)程同自然冷卻相同，只但是在計(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)該依照強(qiáng)迫風(fēng)冷狀況來(lái)進(jìn)行，其數(shù)值平時(shí)為20-30W/m2C。也即是：Rjc,f13.6C/WRjc,b7.2C/WRj,PCB,foot18.84C/WRca1166.7C/WhF25.00.020.03RPCB,a11hF250.0316.67C/W0.0222于是能夠獲取整流橋殼體表面的傳熱熱阻和經(jīng)過(guò)引腳的傳熱熱阻為：Rja,frontRjc,fRca13.666.780.3C/WRja,backRjc,bRca7.266.773.9C/WRja,case1111138.48C/W1Rja,frontRja,back80.373.9Rja,footRj,PCB,footRPCB,a18.8416.6735.51C/W于是整流橋的結(jié)—環(huán)境的總熱阻為：Rja1111118.47C/W1Rja,caseRja,foot38.4835.51由上述整流橋不帶散熱器的強(qiáng)迫對(duì)流冷卻解析中能夠看出，經(jīng)過(guò)整流橋殼體表面的散熱路子與經(jīng)過(guò)引腳進(jìn)行散熱的熱阻是相當(dāng)?shù)模环矫嫖覀兡軌蚪?jīng)過(guò)增加其冷卻風(fēng)速的大小來(lái)改變整流橋的換熱狀況，另一方面我們也能夠采用增大PCB板上銅的覆蓋率來(lái)改進(jìn)PCB板到環(huán)境間的換熱，以實(shí)現(xiàn)提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(lái)實(shí)現(xiàn)其散熱目的時(shí)，該種狀況下的散熱路子以以下圖所示：Rjc,back+RcHeatsink+RHeatsink,aRjc,front+RcaRjPCB,foot+RPCB,a圖4、帶散熱器強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)的散熱路子比較整流橋自然冷卻和帶散熱器的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱這兩種散熱路子，能夠發(fā)現(xiàn)其根本的差異在于：散熱器的作用大大地改進(jìn)了整流橋殼體與環(huán)境間的散熱熱阻。若是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解析，我們能夠獲取整流橋帶散熱器進(jìn)行冷卻的各散熱路子熱阻分別以下：（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：同不帶散熱器的強(qiáng)迫風(fēng)冷相同：Rja,frontRjc,fRCWca13.666.780.3/b)整流橋反面殼體的散熱熱阻：Rja,backRjc,bRcHeatsinkRHeatsink,a假設(shè)忽約整流橋與殼體的接觸熱阻，則：Rc,Heatsink0.0；選擇散熱器與環(huán)境間熱阻的典型值為：RHeatsink,a1.5C/W，于是：Rja,backRjc,bRcHeatsinkRHeatsink,a7.21.58.7C/W則整流橋經(jīng)過(guò)殼體表面散熱的總熱阻為：Rja,case111117.85C/W1Rja,frontRja,back8.780.32）、流橋經(jīng)過(guò)引腳散熱的熱阻：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)的狀況相同，于是有：Rj,PCB,foot18.84C/WRPCB,a1116.67C/WhF250.030.0222Rja,footRj,PCB,footRPCB,a18.8416.6735.51C/W于是我們能夠獲取，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)傳熱路子的并聯(lián)熱阻：Rja111116.43C/W1Rja,caseRja,foot7.8535.51仔細(xì)解析上述的計(jì)算過(guò)程和各個(gè)傳熱路子的熱阻數(shù)值，我們能夠得出在整流橋帶散熱器進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)的以下結(jié)論：①在上述的三個(gè)傳熱路子中（整流橋正面?zhèn)鳠?、整流橋反面?jīng)過(guò)散熱器的傳熱和整流橋通過(guò)引腳的傳熱），整流橋反面經(jīng)過(guò)散熱器的傳熱熱阻最小，而經(jīng)過(guò)殼體正面的傳熱熱阻最大，經(jīng)過(guò)引腳的熱阻居中；②比較整流橋散熱的總熱阻和經(jīng)過(guò)反面散熱器傳熱的熱阻數(shù)值能夠發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)殼體反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(shuō)了然，在此種狀況下，整流橋的主要傳熱路子是經(jīng)過(guò)殼體反面的散熱器來(lái)進(jìn)行的，也就是整流橋上絕大多數(shù)的耗費(fèi)是經(jīng)過(guò)散熱器來(lái)排放的，而經(jīng)過(guò)其他路子（引腳和殼體正面）的散熱量是很少的。③由于此時(shí)整流橋的散熱狀況與散熱器的熱阻親近相關(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。由此能夠看出，在生產(chǎn)廠家所供應(yīng)的整流橋參數(shù)表中關(guān)于整流橋帶散熱器的熱阻時(shí)，只可能是整流橋反面的結(jié)--殼(Rjc)或整流橋殼體上的總的結(jié)--殼熱阻（正面和反面熱阻的并聯(lián)）；此時(shí)的結(jié)--環(huán)境的熱阻已經(jīng)沒(méi)有參照價(jià)值，由于它是隨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狀況三種不相同散熱冷卻形式的解析與計(jì)算，我們能夠得出：在整流橋自然冷卻時(shí)，我們能夠直接采用生產(chǎn)廠家所供應(yīng)的結(jié)--環(huán)境熱阻（Rja），來(lái)計(jì)算整流橋的結(jié)溫，從而能夠方便地檢驗(yàn)我們的設(shè)計(jì)可否達(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)冷狀況，由于在實(shí)質(zhì)使用中很少采用，在此不予太多的談?wù)?。若是在?yīng)用中的確涉及該種狀況，能夠借鑒整流橋自然冷卻的計(jì)算方法；對(duì)整流橋采用散熱器進(jìn)行冷卻時(shí)，我們只能參照廠家給我們供應(yīng)的結(jié)--殼熱阻（Rjc），經(jīng)過(guò)測(cè)量整流橋的殼溫從而計(jì)算出其結(jié)溫，達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)康摹Ｔ诖?，我們重視談?wù)撛撚?jì)算殼溫測(cè)量點(diǎn)的采用及其相關(guān)的計(jì)算方法，并提出一種在實(shí)質(zhì)應(yīng)用中可行、在計(jì)算中又可靠的測(cè)量方法。Tcase,frontTcase,backQbackQfrontRc,bRc,f圖4、整流橋強(qiáng)迫風(fēng)冷解析表示圖從前面對(duì)整流橋帶散熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)其散熱過(guò)程的解析中能夠看出，整流橋主要的耗費(fèi)是經(jīng)過(guò)其反面的散熱器來(lái)發(fā)散的，因此在此談?wù)撜鳂驓卦鯓哟_準(zhǔn)時(shí)，就忽約其經(jīng)過(guò)引腳的傳熱量。現(xiàn)結(jié)合RS2501M整流橋在110VAC電源模塊上應(yīng)用的耗費(fèi)（最大為）來(lái)解析。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m2C（在一般狀況下，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)，經(jīng)過(guò)整流橋正表面發(fā)散到環(huán)境中的熱量為：QfronthTF50(15055)0.020.032.85W忽約整流橋引腳的傳熱量，則經(jīng)過(guò)整流橋反面的傳熱量為：QbackQQfront22.02.8519.15W由于在整流橋殼體表面上的兩個(gè)傳熱路子上（殼體正面、殼體反面）的熱阻分別為：Rjc,f13.6C/WRjc,b7.2C/W依照熱阻的定義式有：TjTc,frontRjc,fQfrontTjTc,backRjc,bQback因此：TjTc,frontRjc,fQfront13.62.85TjTc,backRjc,bQback7.20.2819.15由上式能夠看出：整流橋的結(jié)溫與殼體正面的溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)溫與殼體反面的溫差，也就是說(shuō)，實(shí)質(zhì)上整流橋的殼體正表面的溫度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其反面的溫度的。若是我們?cè)跍y(cè)量時(shí)，把整流橋殼體正面溫度（平時(shí)狀況下比較好測(cè)量）來(lái)作為我們計(jì)算的殼溫，那么我們就會(huì)過(guò)高地估計(jì)整流橋的結(jié)溫了！那么既然這樣，我們應(yīng)該怎樣來(lái)確定計(jì)算的殼溫呢由于整流橋的反面是和散熱器相互連接的，并且熱量主若是經(jīng)過(guò)散熱器發(fā)散，散熱器的基板溫度和整流橋的反面殼體溫度間只有接觸熱阻。一般而言，接觸熱阻的數(shù)值很小，因此我們能夠用散熱器的基板溫度的數(shù)值來(lái)代替整流橋的殼溫，這樣不但在測(cè)量上易于實(shí)現(xiàn)，還不會(huì)給最后的計(jì)算帶來(lái)不能容忍的誤差。五、整流橋在強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)的仿真解析前面本文從不相同狀況下的傳熱路子著手，用理論的方法解析了整流橋在三種不相同冷卻方式下的傳熱過(guò)程，在此本文經(jīng)過(guò)仿真軟件詳細(xì)的整流橋模型來(lái)對(duì)帶有散熱器、強(qiáng)迫風(fēng)冷下的整流橋散熱問(wèn)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，經(jīng)過(guò)解剖一整流橋后獲取的相關(guān)尺寸參數(shù)來(lái)進(jìn)行仿真解析模型的建立。其仿真解析結(jié)果以下所示：圖6、整流橋散熱器基板溫度分布有上圖能夠看出，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，約即使在四個(gè)二極管正下方的溫度與整流橋殼體反面與散熱器相接觸的外邊緣，也不過(guò)只有

70℃左右。5℃左右的溫差。這主若是由于散熱器基板是一有必然厚度且導(dǎo)熱性能較好的鋁板，它能夠有效地把整流橋反面的不均勻溫度進(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。從上圖能夠看出，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℃，但是在整流