充電機整流橋在不同散熱方式下的散熱分析與測量
2017-7-13 12:45:20??????點擊：
一、前言
充電機整流橋作為一種功率元器件，非常廣泛。應(yīng)用于各種充電電源設(shè)備。全波充電機整流橋的工作原理充電機充電電路如圖1所示：
其內(nèi)部主要是由四個二極管組成的橋路來實現(xiàn)把輸入的交流充電機充電電壓轉(zhuǎn)化為輸出的直流充電機充電電壓。
如上圖所示，在充電機整流橋的每個工作周期內(nèi)，同一時間只有兩個二極管進行工作，通過二極管的單向?qū)üδ?，把交流電轉(zhuǎn)換成單向的直流脈動充電機充電電壓。對一般常用的小功率充電機整流橋（如：RECTRON SEMICONDUCTOR的RS2501M）進行解剖會發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
該全波充電機整流橋采用塑料封裝結(jié)構(gòu)（大多數(shù)的小功率充電機整流橋都是采用該封裝形式）。橋內(nèi)的四個主要發(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對外連接引腳的全波充電機整流橋。由于該系列充電機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），因此充電機整流橋的結(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)廠家都會提供該器件在充電機自然冷卻情況下的結(jié)—環(huán)境的熱阻（Rja）和當元器件自帶一充電機充電系統(tǒng)散熱器，通過充電機充電系統(tǒng)散熱器進行器件冷卻的結(jié)--殼熱阻（Rjc）。
二、充電機自然冷卻
一般而言，對于損耗比較?。?lt;3.0W）的元器件都可以采用充電機自然冷卻的方式來解決元器件的充電機充電系統(tǒng)散熱問題。當充電機整流橋的損耗不大時，可采用充電機自然冷卻方式來處理。此時，充電機整流橋的充電機充電系統(tǒng)散熱途徑主要有以下兩個方面：充電機整流橋的殼體（包括前后兩個比較大的充電機充電系統(tǒng)散熱面和上下與左右充電機充電系統(tǒng)散熱面）和充電機整流橋的四個引腳。通常情況下，充電機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）的充電機充電系統(tǒng)散熱。
如圖3所示，在這兩個主要的充電機充電系統(tǒng)散熱途徑中，由于充電機自然冷卻充電機充電系統(tǒng)散熱的換熱系數(shù)一般都比較?。?lt;10W/ m2C），并且充電機整流橋前后充電機充電系統(tǒng)散熱面的絕對面積也比較小，因此實際上通過該途徑的充電機充電系統(tǒng)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，所以在充電機自然冷卻充電機充電系統(tǒng)散熱的情況下，充電機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(fā)到周圍的環(huán)境中去。具體的分析計算如下：
1、 充電機整流橋表面熱阻
如圖2所示，可以得到充電機整流橋的正向充電機充電系統(tǒng)散熱面距熱源的距離為1.7mm，背向充電機充電系統(tǒng)散熱面距熱源的距離為0.9mm；由于充電機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(fā)，可以得到充電機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，充電機整流橋內(nèi)的四個二極管只有兩個在同時進行工作，因此充電機整流橋正面與背面的傳熱熱阻應(yīng)分別為兩個二極管熱阻的并聯(lián)，由于充電機整流橋表面到周圍空氣間的充電機充電系統(tǒng)散熱為自然對流換熱，則充電機整流橋殼體表面的充電機自然冷卻熱阻為：
由上所述，可以得到充電機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：則充電機整流橋通過殼體表面途徑對環(huán)境進行傳熱的總熱阻為：
2、 充電機整流橋引腳熱阻
假設(shè)充電機整流橋焊接在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），則充電機整流橋一個引腳的熱阻為：
在充電機整流橋內(nèi)部，四個二極管是分成兩組且每組共用一個引腳銅板，因此充電機整流橋通過引腳充電機充電系統(tǒng)散熱的熱阻為這兩個引腳的并聯(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板的實際有效充電機充電系統(tǒng)散熱面積為充電機整流橋表面積的2倍，則PCB板與環(huán)境間的傳熱熱阻為：
故，通過充電機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：充電機整流橋通過殼體表面自然對流冷卻進行充電機充電系統(tǒng)散熱的熱阻（Rja,case=88.53℃/W）是通過引腳進行充電機充電系統(tǒng)散熱這種充電機充電系統(tǒng)散熱途徑的熱阻（Rja,case=60.5℃/W）的1.5倍。于是我們可以得出如下結(jié)論：在充電機自然冷卻的情況下，充電機整流橋的充電機充電系統(tǒng)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，在充電機整流橋的損耗不大，并用充電機自然冷卻方式進行充電機充電系統(tǒng)散熱時，我們可以通過增加與充電機整流橋焊接的PCB表面的銅覆蓋面積來改善其充電機整流橋的充電機充電系統(tǒng)散熱狀況。
同時，我們可以根據(jù)上述的兩條傳熱途徑得到充電機整流橋內(nèi)二極管結(jié)溫到周圍環(huán)境間的總熱阻
其實這個熱阻也就是生產(chǎn)廠家在充電機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。并且在充電機自然冷卻的情況，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(jù)，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
當充電機整流橋等功率元器件的損耗較高時（>4.0W），采用充電機自然冷卻的方式已經(jīng)不能滿足其充電機充電系統(tǒng)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)充電機整流橋不帶充電機充電系統(tǒng)散熱器；b)充電機整流橋自帶充電機充電系統(tǒng)散熱器。
1、充電機整流橋不帶充電機充電系統(tǒng)散熱器
對于充電機整流橋不帶充電機充電系統(tǒng)散熱器而采用強迫風冷這種情況，其分析的過程同充電機自然冷卻一樣，只不過在計算充電機整流橋外殼向環(huán)境間充電機充電系統(tǒng)散熱的熱阻和PCB板與環(huán)境間的傳熱熱阻時，對其換熱系數(shù)的選擇應(yīng)該按照強迫風冷情形來進行，其數(shù)值通常為20-30W/m2C。也即是：
于是可以得到充電機整流橋殼體表面的傳熱熱阻和通過引腳的傳熱熱阻為：
于是充電機整流橋的結(jié)—環(huán)境的總熱阻為：
由上述充電機整流橋不帶充電機充電系統(tǒng)散熱器的強迫對流冷卻分析中可以看出，通過充電機整流橋殼體表面的充電機充電系統(tǒng)散熱途徑與通過引腳進行充電機充電系統(tǒng)散熱的熱阻是相當?shù)?，一方面我們可以通過增加其冷卻風速的大小來改變充電機整流橋的換熱狀況，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，以實現(xiàn)提高充電機整流橋的充電機充電系統(tǒng)散熱能力。
2、充電機整流橋自帶充電機充電系統(tǒng)散熱器
當充電機整流橋自帶充電機充電系統(tǒng)散熱器進行強迫風冷來實現(xiàn)其充電機充電系統(tǒng)散熱目的時，該種情況下的充電機充電系統(tǒng)散熱途徑如下圖所示：
對比充電機整流橋充電機自然冷卻和帶充電機充電系統(tǒng)散熱器的強迫風冷充電機充電系統(tǒng)散熱這兩種充電機充電系統(tǒng)散熱途徑，可以發(fā)現(xiàn)其根本的差異在于：充電機充電系統(tǒng)散熱器的作用大大地改善了充電機整流橋殼體與環(huán)境間的充電機充電系統(tǒng)散熱熱阻。如果忽約充電機充電系統(tǒng)散熱器與充電機整流橋間的接觸熱阻，則結(jié)合充電機整流橋不帶充電機充電系統(tǒng)散熱器的傳熱分析，我們可以得到充電機整流橋帶充電機充電系統(tǒng)散熱器進行冷卻的各充電機充電系統(tǒng)散熱途徑熱阻分別如下：
（1）、充電機整流橋殼體表面充電機充電系統(tǒng)散熱熱阻
a)充電機整流橋正面殼體的充電機充電系統(tǒng)散熱熱阻：
同不帶充電機充電系統(tǒng)散熱器的強迫風冷一樣：
b)充電機整流橋背面殼體的充電機充電系統(tǒng)散熱熱阻：
假設(shè)忽約充電機整流橋與殼體的接觸熱阻，則：
選擇充電機充電系統(tǒng)散熱器與環(huán)境間熱阻的典型值為：
于是：則充電機整流橋通過殼體表面充電機充電系統(tǒng)散熱的總熱阻為：
（2）、流橋通過引腳充電機充電系統(tǒng)散熱的熱阻：
此時的熱阻同充電機整流橋不帶充電機充電系統(tǒng)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，在充電機整流橋帶充電機充電系統(tǒng)散熱器進行強迫風冷時的充電機充電系統(tǒng)散熱總熱阻為上述兩個傳熱途徑的并聯(lián)熱阻：
仔細分析上述的計算過程和各個傳熱途徑的熱阻數(shù)值，我們可以得出在充電機整流橋帶充電機充電系統(tǒng)散熱器進行強迫風冷時的如下結(jié)論：
①在上述的三個傳熱途徑中（充電機整流橋正面?zhèn)鳠?、充電機整流橋背面通過充電機充電系統(tǒng)散熱器的傳熱和充電機整流橋通過引腳的傳熱），充電機整流橋背面通過充電機充電系統(tǒng)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比較充電機整流橋充電機充電系統(tǒng)散熱的總熱阻和通過背面充電機充電系統(tǒng)散熱器傳熱的熱阻數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)：通過殼體背面充電機充電系統(tǒng)散熱器傳熱熱阻與充電機整流橋的總熱阻十分相當。其實該結(jié)論也說明了，在此種情況下，充電機整流橋的主要傳熱途徑是通過殼體背面的充電機充電系統(tǒng)散熱器來進行的，也就是充電機整流橋上絕大部分的損耗是通過充電機充電系統(tǒng)散熱器來排放的，而通過其它途徑（引腳和殼體正面）的充電機充電系統(tǒng)散熱量是很少的。
③由于此時充電機整流橋的充電機充電系統(tǒng)散熱狀況與充電機充電系統(tǒng)散熱器的熱阻密切相關(guān)，因此充電機充電系統(tǒng)散熱器熱阻的大小將直接影響到充電機整流橋上溫度的高低。由此可以看出，在生產(chǎn)廠家所提供的充電機整流橋參數(shù)表中關(guān)于充電機整流橋帶充電機充電系統(tǒng)散熱器的熱阻時，只可能是充電機整流橋背面的結(jié)--殼(Rjc)或充電機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)）；此時的結(jié)--環(huán)境的熱阻已經(jīng)沒有參考價值，因為它是隨著充電機充電系統(tǒng)散熱器的熱阻而顯著地發(fā)生變化的。
四、充電機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充電機充電系統(tǒng)散熱冷卻形式的分析與計算，我們可以得出：在充電機整流橋充電機自然冷卻時，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），來計算充電機整流橋的結(jié)溫，從而可以方便地檢驗我們的設(shè)計是否達到功率元器件的溫度降額標準；對充電機整流橋采用不帶充電機充電系統(tǒng)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(yīng)用中的確涉及該種情形，可以借鑒充電機整流橋充電機自然冷卻的計算方法；對充電機整流橋采用充電機充電系統(tǒng)散熱器進行冷卻時，我們只能參考廠家給我們提供的結(jié)--殼熱阻（Rjc），通過測量充電機整流橋的殼溫從而推算出其結(jié)溫，達到檢驗?zāi)康?。在此，我們著重討論該計算殼溫測量點的選取及其相關(guān)的計算方法，并提出一種在實際應(yīng)用中可行、在計算中又可靠的測量方法。
從前面對充電機整流橋帶充電機充電系統(tǒng)散熱器來實現(xiàn)其充電機充電系統(tǒng)散熱過程的分析中可以看出，充電機整流橋主要的損耗是通過其背面的充電機充電系統(tǒng)散熱器來散發(fā)的，因此在此討論充電機整流橋殼溫如何確定時，就忽約其通過引腳的傳熱量。
現(xiàn)結(jié)合RS2501M充電機整流橋在110VAC充電電源模塊上應(yīng)用的損耗（最大為22.0W）來分析。假設(shè)充電機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，強迫風冷的對流換熱系數(shù)為20-40W/m2C）。那么在環(huán)境溫度為55.0C時，通過充電機整流橋正表面散發(fā)到環(huán)境中的熱量為：
忽約充電機整流橋引腳的傳熱量，則通過充電機整流橋背面的傳熱量為：
由于在充電機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(jù)熱阻的定義式有：
所以：
由上式可以看出：充電機整流橋的結(jié)溫與殼體正面的溫差遠遠小于結(jié)溫與殼體背面的溫差，也就是說，實際上充電機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，把充電機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充電機整流橋的結(jié)溫了！
那么既然如此，我們應(yīng)該怎樣來確定計算的殼溫呢？由于充電機整流橋的背面是和充電機充電系統(tǒng)散熱器相互連接的，并且熱量主要是通過充電機充電系統(tǒng)散熱器散發(fā)，充電機充電系統(tǒng)散熱器的基板溫度和充電機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，因此我們可以用充電機充電系統(tǒng)散熱器的基板溫度的數(shù)值來代替充電機整流橋的殼溫，這樣不僅在測量上易于實現(xiàn)，還不會給最終的計算帶來不可容忍的誤差。
五、充電機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充電機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充電機整流橋模型來對帶有充電機充電系統(tǒng)散熱器、強迫風冷下的充電機整流橋充電機充電系統(tǒng)散熱問題進行進一步的闡述。
如上圖是仿真計算的模型外型圖。在該模型中，通過解剖一充電機整流橋后得到的相關(guān)尺寸參數(shù)來進行仿真分析模型的建立。其仿真分析結(jié)果如下所示：
有上圖可以看出，充電機整流橋充電機充電系統(tǒng)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充電機整流橋殼體背面與充電機充電系統(tǒng)散熱器相接觸的外邊緣，也僅僅只有5 ℃左右的溫差。這主要是由于充電機充電系統(tǒng)散熱器基板是一有一定厚度且導(dǎo)熱性能較好的鋁板，它能夠有效地把充電機整流橋背面的不均勻溫度進行均勻化。
上圖是充電機整流橋殼體正面表面的溫度分布。從上圖可以看出，充電機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 ℃，然而在充電機整流橋的中間位置，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(dǎo)熱性能較差的FR4（其導(dǎo)熱系數(shù)小于3.0W/m.℃），因此它對充電機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充電機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(jié)果其離散性很差這一原因。
圖8是充電機整流橋內(nèi)部熱源中間截面的溫度分布。由該圖也可以進一步說明，在充電機整流橋內(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充電機整流橋或相關(guān)的其它功率元器件溫度分布時，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。
六、結(jié)論
通過前面對充電機整流橋三種不同形式充電機充電系統(tǒng)散熱的分析并結(jié)合對一充電機整流橋詳細的仿真模型的分析結(jié)果，我們可以得出如下結(jié)論：
1、在計算充電機整流橋的結(jié)溫時，其生產(chǎn)廠家所提供的Rjc(強迫風冷時)是指充電機整流橋的結(jié)與充電機充電系統(tǒng)散熱器相接觸的充電機整流橋殼體表面間的熱阻；
2、器件參數(shù)中所提供的Rja是指該器件在充電機自然冷卻是結(jié)溫與周圍環(huán)境間的熱阻；
3、對帶有充電機充電系統(tǒng)散熱器的充電機整流橋且為強迫風冷充電機充電系統(tǒng)散熱地殼溫測量時，應(yīng)該采用與充電機整流橋殼體相接觸的充電機充電系統(tǒng)散熱器表面溫度作為計算的殼溫，必要時可以考慮充電機整流橋與充電機充電系統(tǒng)散熱器間的接觸熱阻。不應(yīng)該采用充電機整流橋殼體正面上的溫度作為計算的殼溫，不然將會引起較大的正向誤差。
本文僅僅是對現(xiàn)已解剖的充電機整流橋進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。
- 上一篇：鐵路信號直流穩(wěn)壓電源 UPS 的選配方案 2017/7/13
- 下一篇：蓄電池:影響鋰離子電池循環(huán)性能的因素 2017/7/13
