整流橋在不同散熱方式下的散熱分析與測(cè)量

艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司 李泉明

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Rjc）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(cè)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(cè)量 方法

一、前言

 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(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：

 

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，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埽呀涣麟娹D(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 SEMICONDUCTOR的RS2501M）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)氧樹脂。然而，環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)--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(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)—環(huán)境的熱阻（Rja）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（Rjc）。

二、自然冷卻

圖3、自然冷卻時(shí)的散熱途徑

一般而言，對(duì)于損耗比較小（<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(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。

 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?。?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)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)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(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：

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：

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：

由上所述，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：

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：

 

2、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12.0mm（從二極管的基銅板到PCB板上的焊盤），則整流橋一個(gè)引腳的熱阻為：

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：

   

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：

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(duì)流冷卻進(jìn)行散熱的熱阻（）是通過引腳進(jìn)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(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)二極管結(jié)溫到周圍環(huán)境間的總熱阻，即：

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)—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Rjc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)（>4.0W），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/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(jié)—環(huán)境的總熱阻為：

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：

 

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：

同不帶散熱器的強(qiáng)迫風(fēng)冷一樣：

b)整流橋背面殼體的散熱熱阻：

假設(shè)忽約整流橋與殼體的接觸熱阻，則：；選擇散熱器與環(huán)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(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：

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：

   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：

①在上述的三個(gè)傳熱途徑中（整流橋正面?zhèn)鳠帷⒄鳂虮趁嫱ㄟ^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(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。

③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（Rja），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)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（Rjc），通過測(cè)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(cè)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(cè)量方法。

 

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?，F(xiàn)結(jié)合RS2501M整流橋在110VAC電源模塊上應(yīng)用的損耗（最大為22.0W）來分析。假設(shè)整流橋殼體外表面上的溫度為結(jié)溫（即150.0C），表面換熱系數(shù)為50.0W/m²C（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55.0C時(shí)，通過整流橋正表面散發(fā)到環(huán)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(gè)傳熱途徑上（殼體正面、殼體背面）的熱阻分別為：

  根據(jù)熱阻的定義式有：

所以：

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(cè)量時(shí)，把整流橋殼體正面溫度（通常情況下比較好測(cè)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，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(cè)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：

 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 ℃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 ℃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 ℃，然而在整流橋的中間位置，遠(yuǎn)離熱源處卻只有75 ℃，其表面的溫差可達(dá)到34℃左右。這主要是由于覆蓋在二極管表面的是導(dǎo)熱性能較差的FR4（其導(dǎo)熱系數(shù)小于3.0W/m.℃），因此它對(duì)整流橋殼體正表面上的溫度均勻化效果很差。同時(shí)，這也驗(yàn)證了為什么我們?cè)诓捎谜鳂驓んw正表面溫度作為計(jì)算的殼溫時(shí)，對(duì)測(cè)溫?zé)犭娕嘉恢玫姆胖貌煌?，得到的結(jié)果其離散性很差這一原因。

圖8是整流橋內(nèi)部熱源中間截面的溫度分布。由該圖也可以進(jìn)一步說明，在整流橋內(nèi)部由于器封裝材料是導(dǎo)熱性能較差的FR4，所以其內(nèi)部的溫度分布極不均勻。我們以后在測(cè)量或分析整流橋或相關(guān)的其它功率元器件溫度分布時(shí)，應(yīng)著重注意該現(xiàn)象，力圖避免該影響對(duì)測(cè)量或測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的影響。

 

 圖8、整流橋熱源截面溫度分布

六、結(jié)論

通過前面對(duì)整流橋三種不同形式散熱的分析并結(jié)合對(duì)一整流橋詳細(xì)的仿真模型的分析結(jié)果，我們可以得出如下結(jié)論：

1、      在計(jì)算整流橋的結(jié)溫時(shí)，其生產(chǎn)廠家所提供的Rjc(強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí))是指整流橋的結(jié)與散熱器相接觸的整流橋殼體表面間的熱阻；

2、      器件參數(shù)中所提供的Rja是指該器件在自然冷卻是結(jié)溫與周圍環(huán)境間的熱阻；

3、      對(duì)帶有散熱器的整流橋且為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱地殼溫測(cè)量時(shí)，應(yīng)該采用與整流橋殼體相接觸的散熱器表面溫度作為計(jì)算的殼溫，必要時(shí)可以考慮整流橋與散熱器間的接觸熱阻。不應(yīng)該采用整流橋殼體正面上的溫度作為計(jì)算的殼溫，不然將會(huì)引起較大的正向誤差。

本文僅僅是對(duì)現(xiàn)已解剖的整流橋進(jìn)行分析從而得出上述結(jié)論，但是本文的分析結(jié)果也能夠應(yīng)用于其它塑料封裝的功率元器件或非塑料封裝的元器件（如：一般的MOS管等）。在具體的使用過程中請(qǐng)參照本文的分析方法酌情考慮。

作者簡(jiǎn)介：李泉明，艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備的熱管理研究，專注電子設(shè)備的仿真優(yōu)化分析及散熱設(shè)計(jì)。