整流桥在不同散热方式下的散热分析李泉明_第1页
整流桥在不同散热方式下的散热分析李泉明_第2页
整流桥在不同散热方式下的散热分析李泉明_第3页
整流桥在不同散热方式下的散热分析李泉明_第4页
整流桥在不同散热方式下的散热分析李泉明_第5页
已阅读5页,还剩5页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

整流桥在不相同散热方式下的散热解析与测量李泉明(艾默生网络能源有限公司深圳518057)大纲:本文针对整流桥不相同冷却方式的选择和对其散热过程的详细解析,来阐述元器件厂家供应的元器件热阻(Rja和Rjc)的详细含义,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供应借鉴。要点词:整流桥壳温测量方法一、前言整流桥作为一种功率元器件,特别广泛。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若是由四个二极管组成的桥路来实现把输入的交流电压转变成输出的直流电压。图2、全波整流桥的内部结构表示图如上图所示,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,经过二极管的单导游通功能,把交流电变换成单向的直流脉动电压。对一般常用的小功率整流桥(如:RECTRONSEMICONDUCTOR的S2501M)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。但是,环氧树脂的导热系数是比较低的(一般为℃W/m,最高为℃W/m),因此整流桥的结--壳热阻一般都比较大(平时为℃/W)。平时状况下,在元器件的相关参数表里,生产厂家都会供应该器件在自然冷却状况下的结—环境的热阻(Rja)和当元器件自带一散热器,经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,关于耗费比较小(<)的元器件都能够采用自然冷却的方式来解决元器件的散热问题。当整流桥的耗费不大时,可采用自然冷却方式来办理。此时,整流桥的散热路子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。平时状况下,整流桥的上下和左右的壳体表面积相关于前后边积都比较小,因此在解析时都不考虑经过这四个面(上下与左右表面)的散热。Rjc,back+RcaRjc,front+RcaRjPCB,foot+RPCB,a图3、自然冷却时的散热路子如图3所示,在这两个主要的散热路子中,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,因此实质上经过该路子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,并且其资料为铜,导热性能很好,因此在自然冷却散热的状况下,整流桥的大多数耗费是经过该引脚把热量传达给PCB板,尔后由PCB板扩大其换热面积而发散到周围的环境中去。详细的解析计算以下:1、整流桥表面热阻如图2所示,能够获取整流桥的正向散热面距热源的距离为,背向散热面距热源的距离为;由于整流桥的上下及左右表面面积很小,因此忽约其热量在这四个表面的发散,能够获取整流桥正面和反面的传热热阻为:一个二极管的热阻为:Rjc,f,diode0.001727.2CWF/2.50.0050.005Rjc,b,diode0.000914.4C/WF2.50.0050.005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:Rjc,f0.5Rjc,f,diode13.6C/WRjc,b0.5Rjc,b,diode7.2C/W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:Rca11166.7C/WhF10.00.020.03由上所述,能够获取整流桥经过壳体表面(正面和反面)的结温与环境的热阻分别为:Rja,frontRjc,fRca13.6166.7180.3C/WRja,backRjc,bRca7.2166.7173.9C/W则整流桥经过壳体表面路子对环境进行传热的总热阻为:Rja,case1111188.53C/W1Rja,frontRja,back180.3173.92、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(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:Rj,PCB,one0.01237.69C/WF3980.00080.001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,因此整流桥经过引脚散热的热阻为这两个引脚的并联热阻:Rj,PCB,foot0.5Rj,PCB,onefoot18.84C/W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板的实质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:1141.67C/WRPCB,a100.030.022hF2故,经过整流桥引脚这条传热路子的热阻为:Rja,footRj,PCB,footRPCB,a60.5C/W比较上述两种传热路子的热阻可知:整流桥经过壳体表面自然对流冷却进行散热的热阻(Rja,case88.53C/W)是经过引脚进行散热这种散热路子的热阻(Rja,case60.5C/W)的倍。于是我们能够得出以下结论:在自然冷却的状况下,整流桥的散热主若是经过其引脚线(输出引脚正负极)与PCB板的焊盘来进行的。因此,在整流桥的耗费不大,并用自然冷却方式进行散热时,我们能够经过增加与整流桥焊接的PCB表面的铜覆盖面积来改进其整流桥的散热状况。同时,我们能够依照上述的两条传热路子获取整流桥内二极管结温到周围环境间的总热阻,即:Rja1111135.94C/W1Rja,caseRja,foot60.588.53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供应的结—环境的热阻。并且在自然冷却的状况,也只有该热阻拥有实在的参照价值,其他的诸如Rjc也没有实在的计算依照,这一点能够经过在强迫风冷状况下的传热路径的解析得出。三、强迫风冷冷却当整流桥等功率元器件的耗费较高时(>),采用自然冷却的方式已经不能够满足其散热的需求,此时就必定采用强迫风冷的方式来保证元器件的正常工作。采用强迫风冷时,能够分成两种状况来考虑:a)整流桥不带散热器;b)整流桥自带散热器。1、整流桥不带散热器关于整流桥不带散热器而采用强迫风冷这种状况,其解析的过程同自然冷却相同,只但是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依照强迫风冷状况来进行,其数值平时为20-30W/m2C。也即是:Rjc,f13.6C/WRjc,b7.2C/WRj,PCB,foot18.84C/WRca1166.7C/WhF25.00.020.03RPCB,a11hF250.0316.67C/W0.0222于是能够获取整流桥壳体表面的传热热阻和经过引脚的传热热阻为:Rja,frontRjc,fRca13.666.780.3C/WRja,backRjc,bRca7.266.773.9C/WRja,case1111138.48C/W1Rja,frontRja,back80.373.9Rja,footRj,PCB,footRPCB,a18.8416.6735.51C/W于是整流桥的结—环境的总热阻为:Rja1111118.47C/W1Rja,caseRja,foot38.4835.51由上述整流桥不带散热器的强迫对流冷却解析中能够看出,经过整流桥壳体表面的散热路子与经过引脚进行散热的热阻是相当的,一方面我们能够经过增加其冷却风速的大小来改变整流桥的换热状况,另一方面我们也能够采用增大PCB板上铜的覆盖率来改进PCB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,该种状况下的散热路子以以下图所示:Rjc,back+RcHeatsink+RHeatsink,aRjc,front+RcaRjPCB,foot+RPCB,a图4、带散热器强迫风冷时的散热路子比较整流桥自然冷却和带散热器的强迫风冷散热这两种散热路子,能够发现其根本的差异在于:散热器的作用大大地改进了整流桥壳体与环境间的散热热阻。若是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解析,我们能够获取整流桥带散热器进行冷却的各散热路子热阻分别以下:(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相同:Rja,frontRjc,fRCWca13.666.780.3/b)整流桥反面壳体的散热热阻:Rja,backRjc,bRcHeatsinkRHeatsink,a假设忽约整流桥与壳体的接触热阻,则:Rc,Heatsink0.0;选择散热器与环境间热阻的典型值为:RHeatsink,a1.5C/W,于是:Rja,backRjc,bRcHeatsinkRHeatsink,a7.21.58.7C/W则整流桥经过壳体表面散热的总热阻为:Rja,case111117.85C/W1Rja,frontRja,back8.780.32)、流桥经过引脚散热的热阻:此时的热阻同整流桥不带散热器进行强迫风冷时的状况相同,于是有:Rj,PCB,foot18.84C/WRPCB,a1116.67C/WhF250.030.0222Rja,footRj,PCB,footRPCB,a18.8416.6735.51C/W于是我们能够获取,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路子的并联热阻:Rja111116.43C/W1Rja,caseRja,foot7.8535.51仔细解析上述的计算过程和各个传热路子的热阻数值,我们能够得出在整流桥带散热器进行强迫风冷时的以下结论:①在上述的三个传热路子中(整流桥正面传热、整流桥反面经过散热器的传热和整流桥通过引脚的传热),整流桥反面经过散热器的传热热阻最小,而经过壳体正面的传热热阻最大,经过引脚的热阻居中;②比较整流桥散热的总热阻和经过反面散热器传热的热阻数值能够发现:经过壳体反面散热器传热热阻与整流桥的总热阻十分相当。其实该结论也说了然,在此种状况下,整流桥的主要传热路子是经过壳体反面的散热器来进行的,也就是整流桥上绝大多数的耗费是经过散热器来排放的,而经过其他路子(引脚和壳体正面)的散热量是很少的。③由于此时整流桥的散热状况与散热器的热阻亲近相关,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。由此能够看出,在生产厂家所供应的整流桥参数表中关于整流桥带散热器的热阻时,只可能是整流桥反面的结--壳(Rjc)或整流桥壳体上的总的结--壳热阻(正面和反面热阻的并联);此时的结--环境的热阻已经没有参照价值,由于它是随着散热器的热阻而显着地发生变化的。四、整流桥在强迫风冷冷却时壳温的确定由以上两种状况三种不相同散热冷却形式的解析与计算,我们能够得出:在整流桥自然冷却时,我们能够直接采用生产厂家所供应的结--环境热阻(Rja),来计算整流桥的结温,从而能够方便地检验我们的设计可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状况,由于在实质使用中很少采用,在此不予太多的谈论。若是在应用中的确涉及该种状况,能够借鉴整流桥自然冷却的计算方法;对整流桥采用散热器进行冷却时,我们只能参照厂家给我们供应的结--壳热阻(Rjc),经过测量整流桥的壳温从而计算出其结温,达到检验目的。在此,我们重视谈论该计算壳温测量点的采用及其相关的计算方法,并提出一种在实质应用中可行、在计算中又可靠的测量方法。Tcase,frontTcase,backQbackQfrontRc,bRc,f图4、整流桥强迫风冷解析表示图从前面对整流桥带散热器来实现其散热过程的解析中能够看出,整流桥主要的耗费是经过其反面的散热器来发散的,因此在此谈论整流桥壳温怎样确准时,就忽约其经过引脚的传热量。现结合RS2501M整流桥在110VAC电源模块上应用的耗费(最大为)来解析。假设整流桥壳体外表面上的温度为结温(即),表面换热系数为m2C(在一般状况下,强迫风冷的对流换热系数为20-40W/m2C)。那么在环境温度为时,经过整流桥正表面发散到环境中的热量为:QfronthTF50(15055)0.020.032.85W忽约整流桥引脚的传热量,则经过整流桥反面的传热量为:QbackQQfront22.02.8519.15W由于在整流桥壳体表面上的两个传热路子上(壳体正面、壳体反面)的热阻分别为:Rjc,f13.6C/WRjc,b7.2C/W依照热阻的定义式有:TjTc,frontRjc,fQfrontTjTc,backRjc,bQback因此:TjTc,frontRjc,fQfront13.62.85TjTc,backRjc,bQback7.20.2819.15由上式能够看出:整流桥的结温与壳体正面的温差远远小于结温与壳体反面的温差,也就是说,实质上整流桥的壳体正表面的温度是远远大于其反面的温度的。若是我们在测量时,把整流桥壳体正面温度(平时状况下比较好测量)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!那么既然这样,我们应该怎样来确定计算的壳温呢由于整流桥的反面是和散热器相互连接的,并且热量主若是经过散热器发散,散热器的基板温度和整流桥的反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,因此我们能够用散热器的基板温度的数值来代替整流桥的壳温,这样不但在测量上易于实现,还不会给最后的计算带来不能容忍的误差。五、整流桥在强迫风冷时的仿真解析前面本文从不相同状况下的传热路子着手,用理论的方法解析了整流桥在三种不相同冷却方式下的传热过程,在此本文经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、仿真计算模型如上图是仿真计算的模型外型图。在该模型中,经过解剖一整流桥后获取的相关尺寸参数来进行仿真解析模型的建立。其仿真解析结果以下所示:图6、整流桥散热器基板温度分布有上图能够看出,整流桥散热器的基板温度分布相对而言还是比较均匀的,约即使在四个二极管正下方的温度与整流桥壳体反面与散热器相接触的外边缘,也不过只有

70℃左右。5℃左右的温差。这主若是由于散热器基板是一有必然厚度且导热性能较好的铝板,它能够有效地把整流桥反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。从上图能够看出,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℃,但是在整流

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论