整流桥在不同散热方式下的散热分析李泉明

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

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/ m 2

C ），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，背向散热面距热源的距离为；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：W C F R diode f jc /2.27005

.0005.05.20017.0,,=⨯⨯=⋅=λδ

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：

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：

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：

则整流桥通过壳体表面途径对环境进行传热的总热阻为：

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（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：

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：

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

（W C R case ja /53.88,=）是通过引脚进行散热这种散热途径的热阻（W C R case ja /5.60,=）的倍。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： 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R jc 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。

三、强迫风冷冷却

当整流桥等功率元器件的损耗较高时（>），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/m 2C 。也即是：

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：

于是整流桥的结—环境的总热阻为：

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，该种情况下的散热途径如下图所示：

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：

（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：W C R R R ca f jc front ja /3.807.666.13,,=+=+=

b)整流桥背面壳体的散热热阻：

假设忽约整流桥与壳体的接触热阻，则：0.0sin ,=k Heat c R ；选择散热器与环境间热阻的典型值为：W C R a k Heat /5.1,sin =，于是：

则整流桥通过壳体表面散热的总热阻为：

（2）、流桥通过引脚散热的热阻：

此时的热阻同整流桥不带散热器进行强迫风冷时的情形一样，于是有：

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：

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：

①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；

②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。

③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（R jc ），2C ）。