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FloTHERM仿真误区(二)——面热阻

来源: 原创 / 作者: Jason1028 / 时间: 2017-11-26 22:54
用软件仿真是热设计工程师必要的设计手段。但电子产品的结构往往极其复杂,想要完完全全按照产品的机构尺寸和材料构成建立模型是不切实际的,也没有必要。熟练的工程师会利用

 

用软件仿真是热设计工程师必要的设计手段。但电子产品的结构往往极其复杂,想要完完全全按照产品的机构尺寸和材料构成建立模型是不切实际的,也没有必要。熟练的工程师会利用经验和理论知识,将模型做合理的简化,从而提升计算效率,而误差又在可控范围之内。值得强调的是,简化一定要是合理的简化,盲目的简化会带来严重的误差。

    今天Jason举一个小例子。我们的IGBT等器件,安装在散热器上,为降低接触热阻,通常会涂硅脂,涂的厚度通常比较薄,在0.05mm左右。如果建模时忽略硅脂的存在,软件会认为器件与散热器完全接触,这种理想状态,仿真得到的器件温度会偏低,误差幅度跟器件的热流密度有关。如果建模时,在器件和散热器之间建立一个0.05mm厚的实体模型,需要在网格划分时格外注意,此处的网格厚度(硅脂的法线方向)应小于0.05mm,太大的网格厚度会让软件忽略了硅脂的存在。然而此处太密的网格,除了计算量比较大之外,还容易引起不收敛。

    通常的做法是,将硅脂折算成面热阻,贴附在IGBT的器件安装面上。此处界面热阻标示为

    FloTHERM软件要求输入的是单位面积热阻,如下图所示。输入的数值通过δ/λ来求得。

        

    值得提醒的是,此处应用的是一维导热公式变形求得的导热热阻。求解对象应该具有一维传导的特点,或者至少可以近似为一维传导。

    前不久,热设计网QQ群(319322744)里有人问Jason,为了建模简单,他将器件与散热器之间的一个薄铜片这算成面热阻,结果计算结果与实测数据差别好大。

    这也比较好理解。当铜片的厚度达到一定程度后,沿平面方向的传热不可忽略。此时,将铜片简化成面热阻,过度强调了它在法线方向的阻力,而忽略了其在平面方向的热扩散作用,必然引起比较大的误差。因此,不是所有的东西都可以简化成面热阻的。如果你把散热器也将化成一个面热阻,你将得到一个更加离谱的计算结果,因为散热器距离一维传热更遥远了。

那么,什么情况才能被看成一维传导呢?先具备以下几个条件:一,法线方向比较薄;二,平面方向尺寸与热源相当,且平面方向的四周边界,传热较差。三,自身不发热,没有热量的源和汇。

当然,对于瞬态问题,还要考虑热容的影响,可以表示成FosterCauer网络模型来分析。限于篇幅,本文不做拓展。

Flotherm等软件已成为热设计工程师的重要工具,很多人想突击学习两天,快速掌握仿真软件操作。但仅仅学习软件操作还是不够的,要有足够的热学知识和工程经验,不然,面对一个工程问题,往往不知道如何准确地转换成软件所能识别的语言,或者效率极低。比如群里有人曾问过的问题:一个周期性的热源(如下图所示),如何评估该器件长期稳定工作后的温度情况。如果按照常规方法,设置一个很长的时间段做瞬态计算,仿真的周期会很长很长,一般的项目组是等不及的。

 

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