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【技术】整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量

2017-07-13 16:23:59 来源:大比特商务网

【大比特导读】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:

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:

 

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把输入的交流电压转化为输出的直流电压。

 

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。

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0.35℃W/m,最高为2.5℃W/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(Rja)和当元器件自带一散热器,通过散热器进行器件冷却的结--壳热阻(Rjc)。

二、自然冷却

一般而言,对于损耗比较小(<3.0W)的元器件都可以采用自然冷却的方式来解决元器件的散热问题。当整流桥的损耗不大时,可采用自然冷却方式来处理。此时,整流桥的散热途径主要有以下两个方面:整流桥的壳体(包括前后两个比较大的散热面和上下与左右散热面)和整流桥的四个引脚。通常情况下,整流桥的上下和左右的壳体表面积相对于前后面积都比较小,因此在分析时都不考虑通过这四个面(上下与左右表面)的散热。

 

自然冷却时的散热途径

 

如图3所示,在这两个主要的散热途径中,由于自然冷却散热的换热系数一般都比较小(<10W/ m2C),并且整流桥前后散热面的绝对面积也比较小,因此实际上通过该途径的散热量也是十分有限的;由于引脚铜板是直接与发热元器件(二级管)相连接的,并且其材料为铜,导热性能很好,所以在自然冷却散热的情况下,整流桥的大部分损耗是通过该引脚把热量传递给PCB板,然后由PCB板扩充其换热面积而散发到周围的环境中去。具体的分析计算如下:

1、 整流桥表面热阻

如图2所示,可以得到整流桥的正向散热面距热源的距离为1.7mm,背向散热面距热源的距离为0.9mm;由于整流桥的上下及左右外表面积很小,因此忽约其热量在这四个表面的散发,可以得到整流桥正面和背面的传热热阻为:

一个二极管的热阻为:

 

整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量

由于在同一时间,整流桥内的四个二极管只有两个在同时进行工作,因此整流桥正面与背面的传热热阻应分别为两个二极管热阻的并联,即:

 

整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量

 

由于整流桥表面到周围空气间的散热为自然对流换热,则整流桥壳体表面的自然冷却热阻为:

 

整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量

 

由上所述,可以得到整流桥通过壳体表面(正面和背面)的结温与环境的热阻分别为:

 

整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量

 

则整流桥通过壳体表面途径对环境进行传热的总热阻为:

 

整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量

 

2、 整流桥引脚热阻

假设整流桥焊接在PCB板上,其引脚的长度为12.0mm(从二极管的基铜板到PCB板上的焊盘),则整流桥一个引脚的热阻为:

 

整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量

 

在整流桥内部,四个二极管是分成两组且每组共用一个引脚铜板,因此整流桥通过引脚散热的热阻为这两个引脚的并联热阻:

一方面由于PCB板的热容比较大,另一方面冷却风与PCB板的接触面积较大,其换热条件较好,假设其PCB板的实际有效散热面积为整流桥表面积的2倍,则PCB板与环境间的传热热阻为:

 

整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量

 

故,通过整流桥引脚这条传热途径的热阻为:

比较上述两种传热途径的热阻可知:整流桥通过壳体表面自然对流冷却进行散热的热阻(Rja,case=88.53℃/W)是通过引脚进行散热这种散热途径的热阻(Rja,case=60.5℃/W)的1.5倍。于是我们可以得出如下结论:在自然冷却的情况下,整流桥的散热主要是通过其引脚线(输出引脚正负极)与PCB板的焊盘来进行的。因此,在整流桥的损耗不大,并用自然冷却方式进行散热时,我们可以通过增加与整流桥焊接的PCB表面的铜覆盖面积来改善其整流桥的散热状况。

同时,我们可以根据上述的两条传热途径得到整流桥内二极管结温到周围环境间的总热阻,即:

 

整流桥在不同散热方式下的散热分析与测量

 

其实这个热阻也就是生产厂家在整流桥等元器件参数表中的所提供的结—环境的热阻。并且在自然冷却的情况,也只有该热阻具有实在的参考价值,其它的诸如Rjc也没有实在的计算依据,这一点可以通过在强迫风冷情况下的传热路径的分析得出。

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