1、【技术纵横】 2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会 36整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量李泉明（艾默生网络能源有限公司 深圳 518057）摘要：本文针对整流桥不同冷却方式的选择和对其散热过程的详细分析，来阐述元器件厂家提供的元器件热阻（R ja 和 Rjc）的具体含义，并在此基 础上提出一种在技术上可行、使用上操作性强的测量整流桥壳温的方法，为电 源产品合理应用整流桥提供借 鉴。关键词：整流桥壳温 测量 方法一、前言整流桥作为一种功率元器件，非常广泛。应用于各种电源设备， 。全波整流桥的工作原理电路如图 1 所示：图 1、全波整流桥的原理图其内部主要是由四个二极管组成的桥路来实现
2、把输入的交流电压转化为输出的直流电压。图 2、全波整流桥 的内部结构示意 图如上图所示，在整流桥的每个工作周期内，同一时间只有两个二极管 进行工作，通过二极管的单向导通功能，把交流电转换 成单向的直流脉动电压。 对 一般常用的小功率整流桥（如：RECTRON SEMICONDUCTOR 的 RS2501M）进行解剖会 发现，其内部的 结构如图 2 所示。【技术纵横】 2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会 37Rjc,bak+caRjPCB,fot+P,ajc,front+Rca该全波整流桥采用塑料封装结构（大多数的小功率整流桥都是采用该封装形式）。桥内的四个主要发热元器件二极管被分成两组
3、分别放置在直流输出的引脚铜板上。在直流输出引脚铜板间有两块连接铜板，他们 分别与输入引脚（交流输入导线 ）相连，形成我 们在外观上看见的有四个对外连接引脚的全波整流桥。由于 该系列整流桥都是采用塑料封装 结构，在上述的二极管、引脚铜板、连接铜板以及连接导线的周围充满了作为绝缘 、导热的骨架填充物质环氧树脂。然而，环氧树脂的导热系数是比较低的（一般为 0.35W/m，最高为 2.5W/m），因此整流桥的结-壳热阻一般都比较大（通常为 1.0-10/W）。通常情况下，在元器件的相关参数表里，生 产厂家都会提供该器件在自然冷却情况下的结环境的热阻（R ja）和当元器件自带一散热器，通 过散热器进行器
4、件冷却的结-壳热阻（R jc）。二、自然冷却一般而言，对于损耗比较小（4.0W），采用自然冷却的方式已经不能满足其散热的需求，此时就必须采用强迫 风冷的方式来确保元器件的正常工作。采用强迫风冷时，可以分成两种情况来考虑：a)整流桥不带散热器；b) 整流桥自带散热 器。1、 整流桥不带散热器对于整流桥不带散热器而采用强迫风冷这种情况，其分析的过程同自然冷却一样，只不 过在计算整流桥外壳向环境间散热的热阻和 PCB 板与环境 间的传热热阻时，对其换热系数的选择应该按照强迫风冷情形来进行，其数 值通常为 20-30W/m2C。也即是：WCRfjc/6.13,b27,fotPBj /84., WFhc
5、a /7.603.2.51 CRPCB /.12,于是可以得到整流桥壳体表面的传热热阻和通过引脚的传热热阻为： Rcafjfrontja /.87.6.1, bcbk 93, WRbackjfrontjacseja /471.80,CRPCBPBfotja /5.364, 于是整流桥的结环境的总热阻为：Rfotjacsejaj /.185.348.11, 由上述整流桥不带散热器的强迫对流冷却分析中可以看出，通过整流桥壳体表面的散热途径与通过引脚进行散热的热阻是相当的，一方面我 们可以通 过增加其冷却风速的大小来改变整流桥的换热状况，另一方面我 们也可以采用增大 PCB 板上铜的覆盖率来改善 P
6、CB 板到环境间的换热，以实现提高整流桥的散 热能力。2、 整流桥自带散热器当整流桥自带散热器进行强迫风冷来实现其散热目的时，该种情况下的散热途径如下图所示：【技术纵横】 2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会 40Rjc,bak+Hetsinak,jPCB,fot,ajc,fronta图 4、带散热器强迫风冷时的散热途径对比整流桥自然冷却和带散热器的强迫风冷散热这两种散热途径，可以发现其根本的差异在于：散热器的作用大大地改善了整流桥壳体与环境间的散热热阻。如果忽约散热器与整流桥间的接触热阻，则结合整流桥不 带散热器的传热分析，我 们可以得到整流 桥带散热器进行冷却的各散热途径热阻分别如下
7、：（1）、整流桥壳体表面散热热阻a)整流桥 正面壳体的散热热阻：同不带散热器的强迫风冷一样： WCRRcafjfrontja /3.807.6.13, b)整流桥背面壳体的散热热阻： kHetkceatbjbackjR,sisin, 假设忽约整流桥与壳体的接触热阻， 则： ；选择散热器与环境间热阻的0.sin,kHeatc典型值为： ，于是：WCakHet/5.1,sin CRakHetkceatbjbcj /7.8512.,sinsin, 则整流桥通过壳体表面散热的总热阻为： WRbackjfrontjacseja /.3807.11, （2）、流桥通过引脚散热的热阻：此时的热阻同整流桥不带
8、散热器进行强迫风冷时的情形一样，于是有： WCfotPCBj /84.1,CFha /67.120.3251, WRRaPCBfotPBjfotj 5384, 于是我们可以得到，在整流桥带 散热器进行强迫风冷时的散 热总热阻为上述两个传热途径的并联热阻：【技术纵横】 2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会 41Tcase,bkBR,c,fFrontQrtase,fonWCRfotjacsejaj /43.651.8.71, 仔细分析上述的计算过程和各个传热途径的热阻数值，我们可以得出在整流桥带散热器进行强迫风冷时的如下结论： 在上述的三个传热途径中（整流桥正面传热、整流 桥背面通 过散热器
9、的传热和整流桥通过引脚的传热），整流桥背面通 过散热器的传热热阻最小，而通过壳体正面的传热热阻最大，通过引脚的热阻居中； 比较 整流桥 散热的总热阻和通过背面散热器传热的热阻数值可以发现：通过壳体背面散热器传热热阻与整流桥的总热阻十分相当。其 实该结论也 说明了，在此种情况下，整流桥的主要传热途径是通过壳体背面的散热器来进行的，也就是整流桥上绝大部分的损耗是通过散热器来排放的，而通过其它途径（引脚和壳体正面）的散 热量是很少的。由于此 时整流 桥的散热状况与散热器的热阻密切相关，因此散热器热阻的大小将直接影响到整流桥上温度的高低。由此可以看出，在生产厂家所提供的整流桥参数表中关于整流桥带散热器
10、的热阻时，只可能是整流 桥背面的结-壳(R jc)或整流 桥壳体上的总的结- 壳热阻（正面和背面热阻的并联）；此时的结-环境的热阻已经没有参考价 值，因为它是随着散热器的热阻而显著地发生变化的。四、整流桥在强迫风冷冷却时壳温的确定 由以上两种情况三种不同散热冷却形式的分析与计算，我们可以得出：在整流桥自然冷却时，我们可以直接采用生产厂家所提供的结-环境热阻（R ja），来计算整流桥的结温，从而可以方便地检验我们的设计是否达到功率元器件的温度降额标准；对整流桥采用不带散热器的强迫风冷情况，由于在实际使用中很少采用，在此不予太多的 讨论。如果在应用中的确涉及该种情形，可以借鉴整流桥自然冷却的计算方
11、法；对整流桥采用散热器进行冷却时，我们只能参考厂家给我们提供的结-壳热阻（ Rjc），通 过测 量整流桥的壳温从而推算出其结温，达到检验目的。在此，我们着重讨论该计算壳温测量点的选取及其相关的计算方法，并提出一种在实际应用中可行、在 计算中又可靠的测量方法。图 4、整流桥强迫风冷分析示意图从前面对整流桥带散热器来实现其散热过程的分析中可以看出，整流桥主要的损耗是通过其【技术纵横】 2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会 42背面的散热器来散发的，因此在此 讨论整流桥壳温如何确定 时，就忽 约其通过引脚的传热量。现结合 RS2501M 整流桥在 110VAC 电源模块上应用的损耗（最大 为
12、22.0W）来分析。假设整流桥壳体外表面上的温度为结温（即 150.0C），表面 换热系数为 50.0W/m2C（在一般情况下，强迫风冷的对流换热系数为 20-40W/m2C）。那么在 环境温度为 55.0C 时，通过整流桥正表面散发到环境中的热量为： WFThQfront 85.03.2)510(忽约整流桥引脚的传热量，则 通过整流桥背面的传热量为 ：frontback .98.2由于在整流桥壳体表面上的两个传热途径上（壳体正面、壳体背面）的 热阻分别为：WCRfjc/6.13,b7,根据热阻的定义式有： frontfjcfrontcj QT, bakbak,所以： 28.015.92763
13、, backjfrontfcbackjfrontR由上式可以看出：整流桥的结温与壳体正面的温差远远小于结温与壳体背面的温差，也就是说， 实际上整流桥的壳体正表面的温度是 远远大于其背面的温度的。如果我们在测量时，把整流桥壳体正面温度（通常情况下比较好测量）来作为我们计算的壳温，那么我们就会过高地估计整流桥的结温了！那么既然如此，我们应该怎样 来确定计算的壳温呢？由于整流 桥的背面是和散热器相互连接的，并且热量主要是通过散 热器散发，散 热器的基板温度和整流 桥的背面壳体温度间只有接触热阻。一般而言，接触热阻的数值很小，因此我们可以用散热器的基板温度的数值来代替整流桥的壳温，这样不仅在测量上易于
14、 实现， 还不会给最终的计 算带来不可容忍的误差。五、整流桥在强迫风冷时的仿真分析前面本文从不同情形下的传热途径着手，用理 论的方法分析了整流 桥在三种不同冷却方式下的传热过程，在此本文通过 仿真软件详细的整流桥模型来 对带有散热器、 强迫风冷下的整流桥散热问题进行进一步的阐述。图 5、仿真 计算模型【技术纵横】 2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会 43如上图是仿真计算的模型外型图。在 该模型中，通 过解剖一整流 桥后得到的相关尺寸参数来进行仿真分析模型的建立。其仿真分析结果如下所示：图 6、整流桥散热器基板温度分布有上图可以看出，整流桥散热 器的基板温度分布相对而言 还是比较均匀的，
15、 约 70 左右。即使在四个二极管正下方的温度与整流桥壳体背面与散热器相接触的外边缘，也仅仅只有 5 左右的温差。这主要是由于散 热器基板是一有一定厚度且 导热性能较好的铝板，它能 够有效地把整流桥背面的不均匀温度进行均匀化。图 7、整流桥壳体正面表面温度分布上图是整流桥壳体正面表面的温度分布。从上图可以看出，整流桥壳体正面的温度分布是极不均匀的，在热源（二极管）的正上方其表面温度达到 109 ，然而在整流桥的中间位置，远离热源处却只有 75 ，其表面的温差可达到 34左右。 这主要是由于覆盖在二极管表面的是导热性能较差的 FR4（其导热系数小于 3.0W/m.），因此它对整流桥壳体正表面上的
16、温度均匀化效果很差。同时，这也验证了为什么我们在采用整流桥壳体正表面温度作 为计算的壳温时，对测温【技术纵横】 2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会 44热电偶位置的放置不同，得到的 结果其离散性很差这一原因。图 8 是整流桥内部热源中间截面的温度分布。由 该图也可以 进一步说明，在整流 桥内部由于器封装材料是导热性能较差的 FR4，所以其内部的温度分布极不均匀。我 们以后在测量或分析整流桥或相关的其它功率元器件温度分布时，应着重注意 该现象，力 图避免该影响对测量或测试结果产生的影响。图 8、整流桥热源截面温度分布六、结论通过前面对整流桥三种不同形式散热的分析并结合对一整流桥详细的仿真
17、模型的分析结果，我们可以得出如下结论：1、 在计算整流桥的结温时，其生 产厂家所提供的 Rjc(强迫风冷时)是指整流桥的结与散热器相接触的整流桥壳体表面间的热阻；2、 器件参数中所提供的 Rja 是指该器件在自然冷却是结温与周围环境间的热阻；3、 对带有散热器的整流桥且为强迫风冷散热地壳温测量时，应该采用与整流桥壳体相接触的散热器表面温度作为计算的壳温，必要 时可以考虑整流桥 与散热器间的接触热阻。不 应该采用整流桥壳体正面上的温度作为计算的壳温，不然将会引起较大的正向误差。本文仅仅是对现已解剖的整流桥进行分析从而得出上述结论，但是本文的分析结果也能够应用于其它塑料封装的功率元器件或非塑料封装的元器件（如：一般的 MOS 管等）。在具体的使用过程中请参照本文的分析方法酌情考虑。
