整流橋在不同散熱方式下的散熱分析與測量

admin 2011-09-07

整流橋在不同散熱方式下的散熱分析與測量

艾默生網絡能源有限公司李泉明

摘要：本文針對整流橋不同冷卻方式的選擇和對其散熱過程的詳細分析，來闡述元器件廠家提供的元器件熱阻（Rja和Rjc）的具體含義，并在此基礎上提出一種在技術上可行、使用上操作性強的測量整流橋殼溫的方法，為電源產品合理應用整流橋提供借鑒。

關鍵詞：整流橋殼溫測量方法

一、前言

全波整流橋的原理圖

圖1、全波整流橋的原理圖

整流橋作為一種功率元器件，非常廣泛。應用于各種電源設備，。全波整流橋的工作原理電路如圖1所示：

其內部主要是由四個二極管組成的橋路來實現把輸入的交流電壓轉化為輸出的直流電壓。

圖2、全波整流橋的內部結構示意圖

如上圖所示，在整流橋的每個工作周期內，同一時間只有兩個二極管進行工作，通過二極管的單向導通功能，把交流電轉換成單向的直流脈動電壓。對一般常用的小功率整流橋（如：RECTRON SEMICONDUCTOR的RS2501M）進行解剖會發現，其內部的結構如圖2所示，

該全波整流橋采用塑料封裝結構（大多數的小功率整流橋都是采用該封裝形式）。橋內的四個主要發熱元器件——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（交流輸入導線）相連，形成我們在外觀上看見的有四個對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構，在上述的二極管、引腳銅板、連接銅板以及連接導線的周圍充滿了作為絕緣、導熱的骨架填充物質——環氧樹脂。然而，環氧樹脂的導熱系數是比較低的（一般為0.35℃W/m，最高為2.5℃W/m），因此整流橋的結--殼熱阻一般都比較大（通常為1.0~10℃/W）。通常情況下，在元器件的相關參數表里，生產廠家都會提供該器件在自然冷卻情況下的結—環境的熱阻（Rja）和當元器件自帶一散熱器，通過散熱器進行器件冷卻的結--殼熱阻（Rjc）。

二、自然冷卻

自然冷卻時的散熱途徑

圖3、自然冷卻時的散熱途徑

一般而言，對于損耗比較?。?lt;3.0W）的元器件都可以采用自然冷卻的方式來解決元器件的散熱問題。當整流橋的損耗不大時，可采用自然冷卻方式來處理。此時，整流橋的散熱途徑主要有以下兩個方面：整流橋的殼體（包括前后兩個比較大的散熱面和上下與左右散熱面）和整流橋的四個引腳。通常情況下，整流橋的上下和左右的殼體表面積相對于前后面積都比較小，因此在分析時都不考慮通過這四個面（上下與左右表面）的散熱。

如圖3所示，在這兩個主要的散熱途徑中，由于自然冷卻散熱的換熱系數一般都比較?。?lt;10W/ m²C），并且整流橋前后散熱面的絕對面積也比較小，因此實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熱元器件（二級管）相連接的，并且其材料為銅，導熱性能很好，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板擴充其換熱面積而散發到周圍的環境中去。具體的分析計算如下：

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1.7mm，背向散熱面距熱源的距離為0.9mm；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表面的散發，可以得到整流橋正面和背面的傳熱熱阻為：

一個二極管的熱阻為：

由于在同一時間，整流橋內的四個二極管只有兩個在同時進行工作，因此整流橋正面與背面的傳熱熱阻應分別為兩個二極管熱阻的并聯，即：

由于整流橋表面到周圍空氣間的散熱為自然對流換熱，則整流橋殼體表面的自然冷卻熱阻為：

由上所述，可以得到整流橋通過殼體表面（正面和背面）的結溫與環境的熱阻分別為：

則整流橋通過殼體表面途徑對環境進行傳熱的總熱阻為：

2、整流橋引腳熱阻

假設整流橋焊接在PCB板上，其引腳的長度為12.0mm（從二極管的基銅板到PCB板上的焊盤），則整流橋一個引腳的熱阻為：

在整流橋內部，四個二極管是分成兩組且每組共用一個引腳銅板，因此整流橋通過引腳散熱的熱阻為這兩個引腳的并聯熱阻：

一方面由于PCB板的熱容比較大，另一方面冷卻風與PCB板的接觸面積較大，其換熱條件較好，假設其PCB板的實際有效散熱面積為整流橋表面積的2倍，則PCB板與環境間的傳熱熱阻為：

故，通過整流橋引腳這條傳熱途徑的熱阻為：

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流冷卻進行散熱的熱阻（）是通過引腳進行散熱這種散熱途徑的熱阻（）的1.5倍。于是我們可以得出如下結論：在自然冷卻的情況下，整流橋的散熱主要是通過其引腳線（輸出引腳正負極）與PCB板的焊盤來進行的。因此，在整流橋的損耗不大，并用自然冷卻方式進行散熱時，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，我們可以根據上述的兩條傳熱途徑得到整流橋內二極管結溫到周圍環境間的總熱阻，即：

其實這個熱阻也就是生產廠家在整流橋等元器件參數表中的所提供的結—環境的熱阻。并且在自然冷卻的情況，也只有該熱阻具有實在的參考價值，其它的諸如Rjc也沒有實在的計算依據，這一點可以通過在強迫風冷情況下的傳熱路徑的分析得出。

三、強迫風冷冷卻

當整流橋等功率元器件的損耗較高時（>4.0W），采用自然冷卻的方式已經不能滿足其散熱的需求，此時就必須采用強迫風冷的方式來確保元器件的正常工作。采用強迫風冷時，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

對于整流橋不帶散熱器而采用強迫風冷這種情況，其分析的過程同自然冷卻一樣，只不過在計算整流橋外殼向環境間散熱的熱阻和PCB板與環境間的傳熱熱阻時，對其換熱系數的選擇應該按照強迫風冷情形來進行，其數值通常為20~30W/m²C。也即是：

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：

于是整流橋的結—環境的總熱阻為：

由上述整流橋不帶散熱器的強迫對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行散熱的熱阻是相當的，一方面我們可以通過增加其冷卻風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板到環境間的換熱，以實現提高整流橋的散熱能力。

2、整流橋自帶散熱器

帶散熱器強迫風冷時的散熱途徑當整流橋自帶散熱器進行強迫風冷來實現其散熱目的時，該種情況下的散熱途徑如下圖所示：

圖4、帶散熱器強迫風冷時的散熱途徑

對比整流橋自然冷卻和帶散熱器的強迫風冷散熱這兩種散熱途徑，可以發現其根本的差異在于：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：

同不帶散熱器的強迫風冷一樣：

b)整流橋背面殼體的散熱熱阻：

假設忽約整流橋與殼體的接觸熱阻，則：；選擇散熱器與環境間熱阻的典型值為：，于是：

則整流橋通過殼體表面散熱的總熱阻為：

（2）、流橋通過引腳散熱的熱阻：

此時的熱阻同整流橋不帶散熱器進行強迫風冷時的情形一樣，于是有：

于是我們可以得到，在整流橋帶散熱器進行強迫風冷時的散熱總熱阻為上述兩個傳熱途徑的并聯熱阻：

仔細分析上述的計算過程和各個傳熱途徑的熱阻數值，我們可以得出在整流橋帶散熱器進行強迫風冷時的如下結論：

①在上述的三個傳熱途徑中（整流橋正面傳熱、整流橋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；

②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值可以發現：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。其實該結論也說明了，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。

③由于此時整流橋的散熱狀況與散熱器的熱阻密切相關，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，在生產廠家所提供的整流橋參數表中關于整流橋帶散熱器的熱阻時，只可能是整流橋背面的結--殼(Rjc)或整流橋殼體上的總的結--殼熱阻（正面和背面熱阻的并聯）；此時的結--環境的熱阻已經沒有參考價值，因為它是隨著散熱器的熱阻而顯著地發生變化的。

四、整流橋在強迫風冷冷卻時殼溫的確定

由以上兩種情況三種不同散熱冷卻形式的分析與計算，我們可以得出：在整流橋自然冷卻時，我們可以直接采用生產廠家所提供的結--環境熱阻（Rja），來計算整流橋的結溫，從而可以方便地檢驗我們的設計是否達到功率元器件的溫度降額標準；對整流橋采用不帶散熱器的強迫風冷情況，由于在實際使用中很少采用，在此不予太多的討論。如果在應用中的確涉及該種情形，可以借鑒整流橋自然冷卻的計算方法；對整流橋采用散熱器進行冷卻時，我們只能參考廠家給我們提供的結--殼熱阻（Rjc），通過測量整流橋的殼溫從而推算出其結溫，達到檢驗目的。在此，我們著重討論該計算殼溫測量點的選取及其相關的計算方法，并提出一種在實際應用中可行、在計算中又可靠的測量方法。

圖4、整流橋強迫風冷分析示意圖

從前面對整流橋帶散熱器來實現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的，因此在此討論整流橋殼溫如何確定時，就忽約其通過引腳的傳熱量。現結合RS2501M整流橋在110VAC電源模塊上應用的損耗（最大為22.0W）來分析。假設整流橋殼體外表面上的溫度為結溫（即150.0C），表面換熱系數為50.0W/m²C（在一般情況下，強迫風冷的對流換熱系數為20~40W/m²C）。那么在環境溫度為55.0C時，通過整流橋正表面散發到環境中的熱量為：

忽約整流橋引腳的傳熱量，則通過整流橋背面的傳熱量為：

由于在整流橋殼體表面上的兩個傳熱途徑上（殼體正面、殼體背面）的熱阻分別為：

根據熱阻的定義式有：

所以：

由上式可以看出：整流橋的結溫與殼體正面的溫差遠遠小于結溫與殼體背面的溫差，也就是說，實際上整流橋的殼體正表面的溫度是遠遠大于其背面的溫度的。如果我們在測量時，把整流橋殼體正面溫度（通常情況下比較好測量）來作為我們計算的殼溫，那么我們就會過高地估計整流橋的結溫了！

那么既然如此，我們應該怎樣來確定計算的殼溫呢？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，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，接觸熱阻的數值很小，因此我們可以用散熱器的基板溫度的數值來代替整流橋的殼溫，這樣不僅在測量上易于實現，還不會給最終的計算帶來不可容忍的誤差。

五、整流橋在強迫風冷時的仿真分析

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的整流橋模型來對帶有散熱器、強迫風冷下的整流橋散熱問題進行進一步的闡述。

仿真計算模型

圖5、仿真計算模型

如上圖是仿真計算的模型外型圖。在該模型中，通過解剖一整流橋后得到的相關尺寸參數來進行仿真分析模型的建立。其仿真分析結果如下所示：

整流橋散熱器

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而言還是比較均勻的，約70 ℃左右。即使在四個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 ℃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到109 ℃，然而在整流橋的中間位置，遠離熱源處卻只有75 ℃，其表面的溫差可達到34℃左右。這主要是由于覆蓋在二極管表面的是導熱性能較差的FR4（其導熱系數小于3.0W/m.℃），因此它對整流橋殼體正表面上的溫度均勻化效果很差。同時，這也驗證了為什么我們在采用整流橋殼體正表面溫度作為計算的殼溫時，對測溫熱電偶位置的放置不同，得到的結果其離散性很差這一原因。

圖8是整流橋內部熱源中間截面的溫度分布。由該圖也可以進一步說明，在整流橋內部由于器封裝材料是導熱性能較差的FR4，所以其內部的溫度分布極不均勻。我們以后在測量或分析整流橋或相關的其它功率元器件溫度分布時，應著重注意該現象，力圖避免該影響對測量或測試結果產生的影響。