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整流橋堆一般用在全波整流電路中,它又分為全橋與半橋。

全橋是由4只整流二極管按橋式全波整流電路的形式連接并封裝為一體構(gòu)成的,圖是其外形。

全橋的正向電流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A等多種規(guī)格,耐壓值(最高反向電壓)有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多種規(guī)格。

選擇整流橋要考慮整流電路和工作電壓。整流橋堆一般用在全波整流電路中,它又分為全橋與半橋。

如:KBL410 即4A,1000V 。RS507 即5A,1000V。(1234567分別代表電壓檔的50V,100V,200V,400V,600V,800V,1000V)

整流橋有多種方法可以用整流二極管將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,包括半波整流、全波整流以及橋式整流等。整流橋,就是將橋式整流的四個(gè)二極管封裝在一起,只引出四個(gè)引腳。四個(gè)引腳中,兩個(gè)直流輸出端標(biāo)有+或-,兩個(gè)交流輸入端有~標(biāo)記。

應(yīng)用整流橋到電路中,主要考慮它的最大工作電流和最大反向電壓。

針對整流橋不同冷卻方式的選擇和對其散熱過程的詳細(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。

前言

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。

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。

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)�通功�?把交流電轉(zhuǎn)換成單向的直流脈動(dòng)電壓。對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,形成我們在外觀上看見的有四個(gè)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(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)——?dú)�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)——?dú)�熱�?Rjc)。

自然冷卻

一般而言,對于損耗比較小(<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。

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)一般都比較小(<10W/ m2C),并且整流橋前后散熱面的絕對面積也比較小,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。

強(qiáng)迫風(fēng)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

對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�、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(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)——?dú)?Rjc)或整流橋殼體上的總的結(jié)——?dú)�熱�?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�是隨著散熱器的熱阻而顯著地發(fā)生變化的。

殼溫確定

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)——?dú)�熱�?Rjc),通過測量整流橋的殼溫從而推算出其結(jié)溫,達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)康�。在�?我們著重討論該計(jì)算殼溫測量點(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)算中又可靠的測量方法。

從前面對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。如果我們在測量時(shí),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(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。

仿真分析

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。

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)證了為什么我們在采用整流橋殼體正表面溫度作為計(jì)算的殼溫時(shí),對測溫熱電偶位置的放置不同,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,力圖避免該影響對測量或測試結(jié)果產(chǎn)生的影響。

結(jié)論

通過前面對整流橋三種不同形式散熱的分析并結(jié)合對一整流橋詳細(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、 對帶有散熱器的整流橋且為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱地殼溫測量時(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參照本文的分析方法酌情考慮。