Flotherm_在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

1、Flotherm在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用艾默生網(wǎng)絡(luò)能源艾默生網(wǎng)絡(luò)能源畢金成畢金成 蔣康濤蔣康濤nFlotherm在TEC產(chǎn)品仿真分析中的應(yīng)用n吹風(fēng)方式時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口柵格模型的建立方法n一種新的功率模塊熱仿真模型的建立方法nFlotherm在在TEC產(chǎn)品仿真分析中的應(yīng)用產(chǎn)品仿真分析中的應(yīng)用n吹風(fēng)方式時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口柵格模型的建立方法n一種新的功率模塊熱仿真模型的建立方法nTEC，即熱電制冷，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、啟動(dòng)快、控制靈活等特點(diǎn)，因此應(yīng)用日漸廣泛。熱電制冷由帕爾貼效應(yīng)、塞貝克效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)和傅里葉效應(yīng)等五種效應(yīng)構(gòu)成。 n整個(gè)TEC組件（TEA）由以下幾個(gè)部分組成：若干個(gè)TEC

2、模塊（TEM），冷熱端散熱器及風(fēng)扇各一套，冷熱兩端之間由隔熱材料填充。單個(gè)TEM由兩片陶瓷基片以及若干個(gè)PN極偶對(duì)組成。 n其中上下兩層陶瓷基片的尺寸參照實(shí)際TEM的尺寸，冷端、熱端及電阻三層的高度均為極偶對(duì)實(shí)際高度的1/3，平面方向的尺寸與陶瓷基片相同。其中電阻層模擬TEM的焦耳熱，按TEM實(shí)際工作電流給定發(fā)熱電流，考慮電阻隨溫度的變化；冷熱兩層模擬TEM的吸放熱，兩個(gè)熱源數(shù)值相等，符號(hào)相反。 陶瓷 熱端 冷端 電阻 圖 1 TEM 模塊模型構(gòu)成 n冷熱兩個(gè)端各包括兩個(gè)熱源，一個(gè)常量，一個(gè)與溫度相關(guān)。塞貝克系數(shù)隨溫度變化而變化，在-50oC和50oC之間可以視為線(xiàn)性的，設(shè)為 =MT+Bn冷端

3、熱源： Source 1: -2NI(273.15)B (W) Source 2: Coefficient =2NI(273.15M+B)/V (W/K/m3) Value = 0.0 (oC) 其中塞貝克系數(shù)M, B常數(shù)T溫度N極偶對(duì)數(shù)V熱源體積n具體模型建立，可以借助Flomerics網(wǎng)站上提供的宏Thermoelectric Cooler Generator （http:/ 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例 n機(jī)柜尺寸1280mmX720mmX650mm，機(jī)柜內(nèi)貼保溫棉，并擺放12個(gè)蓄電池。外側(cè)散熱組件電池柜外側(cè)散熱組件外側(cè)散熱組件內(nèi)側(cè)散熱組件保溫棉電池a. 外側(cè) b. 內(nèi)側(cè)電池柜模型TEA模型n整個(gè)T

4、EC組建模型如右圖所示8個(gè)TEM內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)及散熱器外側(cè)風(fēng)機(jī)及散熱器 保溫層n計(jì)算45度和60度兩種工作環(huán)境下，TEM工作電流分別為2.6A、2.3A和2A時(shí)TEC組件的總制冷量，如下表所示。 電流環(huán)境2.6A2.3A2.0A45度190186.518060度-209.8201.8更改機(jī)柜內(nèi)熱負(fù)荷n各TEM之間間隙3mm，工作電流2A，工作環(huán)境溫度為45度時(shí)，調(diào)整熱負(fù)荷 每節(jié)電池發(fā)熱12W時(shí)，制冷量是182W; 每節(jié)電池發(fā)熱10W時(shí)，制冷量是169.5W; 每節(jié)電池發(fā)熱8.5W時(shí)，制冷量是162.5W 更改各TEM之間的間隙n環(huán)境溫度45度，工作電流2A，每個(gè)電池的發(fā)熱量為8.5瓦。 忽略TEM

5、間隙的時(shí)候，TEC制冷量為158.5W 各TEM間隙為3mm時(shí)，制冷量為161.3W; 各TEM間隙為5mm時(shí)，制冷量為168.2W。改變內(nèi)側(cè)風(fēng)扇n環(huán)境溫度45度，TEM工作電流2A，熱負(fù)荷120W。 更換內(nèi)側(cè)風(fēng)扇 當(dāng)采用4000RPM的風(fēng)扇時(shí)，整個(gè)TEC組件的制冷量為171.4W 當(dāng)采用3700RPM的風(fēng)扇時(shí)，整個(gè)TEC組件的制冷量為169.5W實(shí)例n環(huán)境溫度45度，TEM工作電流2.6A，每個(gè)電池?zé)釗p耗8W，計(jì)算所得TEC組件的制冷量是133.7W 電池柜內(nèi)溫度分布如圖所示：實(shí)驗(yàn)結(jié)果環(huán)境45度，穩(wěn)定7小時(shí)后測(cè)試結(jié)果，如左下圖所示，1、2號(hào)電池的溫升情況如右下圖所示。計(jì)算結(jié)果和測(cè)量值偏差在2

6、度之內(nèi)。第一層第二層第三層42.342.540.642.843.441.141.544.243.825272931333537394143450123456781號(hào)電池變化圖2號(hào)電池變化圖結(jié)論n1. TEC仿真結(jié)果顯示，TEC隨溫度、工作電流等因素的變化趨勢(shì)是合理的n2. 結(jié)合實(shí)例，仿真結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合nFlotherm在TEC產(chǎn)品仿真分析中的應(yīng)用n吹風(fēng)方式時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口柵格模型的建立方法吹風(fēng)方式時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口柵格模型的建立方法n一種新的功率模塊熱仿真模型的建立方法問(wèn)題的提出問(wèn)題的提出n在對(duì)某產(chǎn)品做熱仿真計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)：面阻尼緊貼風(fēng)扇進(jìn)口和風(fēng)扇本體加阻尼兩種模型的計(jì)算結(jié)果有所差別，后者功率管溫升比前

7、者高。同一現(xiàn)象在其他產(chǎn)品中也有體現(xiàn)。 對(duì)于風(fēng)扇吹風(fēng)式冷卻模塊，原有的建模方式是風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)面緊貼機(jī)殼前面板，前面板設(shè)置為平面幾何體（即，不考慮其厚度）或打孔,然后建立與風(fēng)扇端面相同大小的面阻尼（Collapsed Resistance）疊放在風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)面，如圖所示圖2.1 模型示意圖 風(fēng)扇柵格前面板 在Flotherm軟件的項(xiàng)目管理器的目錄樹(shù)中，幾個(gè)模型的相對(duì)位置如圖所示。 或圖2.2 目錄樹(shù)風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)柵格前面板 根據(jù)軟件本身規(guī)定的目錄樹(shù)中的層次級(jí)別，下層的模型優(yōu)先級(jí)別高于上層，即，下層元件模型覆蓋上層，因此，一般認(rèn)為目錄樹(shù)中風(fēng)扇級(jí)別優(yōu)于面板，而進(jìn)風(fēng)柵格優(yōu)于風(fēng)扇，即，風(fēng)扇進(jìn)口覆蓋了重疊部分的面板，而

8、柵格覆蓋了風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口。 n然而通過(guò)對(duì)幾種建模方法的比較發(fā)現(xiàn)：這種建模方式計(jì)算的結(jié)果，與不建立柵格模型相仿，即柵柵格模型被軟件忽略了！格模型被軟件忽略了?。鸥窨紫堵蕿?0） a.建立柵格模型的仿真結(jié)果 b.未建立柵格模型的仿真結(jié)果圖 2.3 仿真所得風(fēng)扇的工作風(fēng)量 而在風(fēng)扇本體上添加?xùn)鸥裼绊懀紫堵?0）圖2.4 風(fēng)扇本體添加阻尼圖解 在風(fēng)扇本體上添加孔隙率50阻尼所得的計(jì)算結(jié)果，風(fēng)扇的總風(fēng)量為0.00663m3/s,可見(jiàn)原有的建模方式使得風(fēng)扇的風(fēng)量增大了42！圖2.5 風(fēng)扇本體添加?xùn)鸥裼绊懙挠?jì)算結(jié)果 當(dāng)進(jìn)風(fēng)柵格的孔隙率小于50%，或者風(fēng)扇的工作點(diǎn)出現(xiàn)在風(fēng)扇的拐點(diǎn)附近時(shí)，這一差別將會(huì)更加明顯。

9、從而放大仿真誤差，引起的危害是，熱設(shè)計(jì)方案的余量過(guò)小，甚至仿真通過(guò)的方案實(shí)測(cè)溫度過(guò)高。 另一種建模方法另一種建模方法n在風(fēng)扇出口處加面阻尼 柵格圖2.6 風(fēng)扇出口添加?xùn)鸥衲Ｐ蛨Dn此種模型的總風(fēng)量為0.00661m3/s，與風(fēng)扇本體加阻尼相仿 圖 2.7 風(fēng)扇出口添加?xùn)鸥裼绊懙挠?jì)算結(jié)果 n風(fēng)扇前3mm處添加面阻尼，流量比風(fēng)扇本體加阻尼高出約15.9%。經(jīng)分析，流量增大的原因應(yīng)該是：相對(duì)于風(fēng)扇出口處的環(huán)形面，此處的阻尼面積增大，平均速度降低，故而壓降變小。 圖 2.8 風(fēng)扇出口添加?xùn)鸥裼绊懙挠?jì)算結(jié)果 3mm圖2.9 風(fēng)扇前3mm添加?xùn)鸥衲Ｐ蛨D柵格n 在阻尼和風(fēng)扇之間建立一個(gè)與風(fēng)扇HUB直徑相同的圓

10、柱?？梢?jiàn)，流量仍比風(fēng)扇本體加阻尼高出9.4%。 n原因是，阻尼的面積仍然比風(fēng)扇環(huán)形通道大，如圖所示阻尼實(shí)際通風(fēng)面積風(fēng)扇環(huán)形通風(fēng)面積n將風(fēng)扇模型在原來(lái)12面模型的基礎(chǔ)上，改為4面模型，如圖所示，并在風(fēng)扇本體上加50%的開(kāi)孔率。 12面模型4面模型n計(jì)算結(jié)果如圖所示。與風(fēng)扇本體加阻尼相比，發(fā)現(xiàn)改變風(fēng)扇模型后，流量變化不大，在1%以?xún)?nèi)。 圖2.15 4面風(fēng)扇模型本體加50%孔隙率計(jì)算結(jié)果 圖2.14 風(fēng)扇本體添加?xùn)鸥裼绊懙挠?jì)算結(jié)果 風(fēng)扇采用4面模型，風(fēng)扇前3mm處添加面阻尼，孔隙率為50%，計(jì)算結(jié)果如圖2.16所示。若在阻尼和風(fēng)扇HUB之間添加和HUB界面尺寸相同的正方體，則此時(shí)的面阻尼實(shí)際通風(fēng)面積

11、與風(fēng)扇通風(fēng)面積相同。計(jì)算結(jié)果如圖2.17所示。 圖2.16. 4面風(fēng)扇前3mm處加面阻尼計(jì)算結(jié)果 圖2.17. 4面風(fēng)扇前3mm處加面阻尼，且HOB和面阻尼之間加正方體的計(jì)算結(jié)果 對(duì)比圖2.15和圖2.16 發(fā)現(xiàn)，圖2.16流量增大10%，是因?yàn)槊孀枘釋?shí)際通流面積增大所致。對(duì)比圖2.15和圖2.17發(fā)現(xiàn)，圖2.17流量?jī)H增大6%，應(yīng)該是計(jì)算誤差所致。 結(jié)論：n1. 風(fēng)扇采用4面模型和12面模型對(duì)于總流量影響不大；n2. 在風(fēng)扇進(jìn)口緊貼風(fēng)扇添加阻尼無(wú)效，即面阻尼不起作用；n3. 在風(fēng)扇出口貼風(fēng)扇加阻尼和風(fēng)扇本體加阻尼效果相當(dāng)；n4. 在風(fēng)扇前一小段距離加面阻尼比風(fēng)扇本體加阻尼所得流量偏大。 n從

12、操作的簡(jiǎn)單性和設(shè)計(jì)余量的角度考慮，推薦的建模方法是風(fēng)扇本體加阻尼。 nFlotherm在TEC產(chǎn)品仿真分析中的應(yīng)用n吹風(fēng)方式時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口柵格模型的建立方法n一種新的功率模塊熱仿真模型的建立方法一種新的功率模塊熱仿真模型的建立方法問(wèn)題描述問(wèn)題描述 n對(duì)于IGBT(絕緣門(mén)極晶體管)和SCR(晶閘管)等功率器件，以前在進(jìn)行熱仿真時(shí)，溫度云圖里的器件結(jié)溫并不準(zhǔn)確，而常常是需要再根據(jù)所得到的散熱器表面溫度和器件資料中所給的結(jié)-殼熱阻值等來(lái)重新手工推算結(jié)溫的數(shù)值。 n典型功率器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示（功率管的芯片和基板之間是兩面敷銅的氧化鋁陶瓷材料，即DCB）。n以前在對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行熱仿真時(shí)，所建立的功率器件模

13、型經(jīng)過(guò)了一定程度的簡(jiǎn)化。主要是省掉了芯片與DCB、DCB與銅基板之間的兩個(gè)焊料層；同時(shí)，把氧化鋁陶瓷及其兩面所敷的銅這三層簡(jiǎn)化為一個(gè)DBC實(shí)體，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一個(gè)基本等效的導(dǎo)熱系數(shù)值。 銅基板芯片DCBn這樣簡(jiǎn)化的原因主要是忽略很多厚度很小的薄層（如焊料層約0.08mm），以減少網(wǎng)格數(shù)量。在如此簡(jiǎn)化的情況下，功率器件的結(jié)溫模擬得不太準(zhǔn)確；但是，從仿真結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)的比較來(lái)看，散熱器表面的溫度一般還是比較準(zhǔn)的。根據(jù)功率器件資料中的結(jié)-殼熱阻和殼-散熱器熱阻把芯片的結(jié)溫推算出來(lái)，根據(jù)結(jié)溫評(píng)估熱設(shè)計(jì)方案。 新的功率器件建模方法 n去掉原來(lái)建模方法中的DCB層，銅基板繼續(xù)用實(shí)體建模，而把芯片直接貼在銅

14、基板的上表面，且分別把器件資料中的結(jié)-殼熱阻和殼-散熱器熱阻通過(guò)面積折算后，加到銅基板的上下表面。 芯片兩面加上熱阻的銅基板舉例說(shuō)明n設(shè)某器件的每個(gè)SCR芯片結(jié)-殼熱阻是0.17K/W，而芯片面積是18.2*18.2mm2。面積折算后的表面熱阻值是0.17*18.2*18.2*10-6，即5.631*10-5K.m2/W。 添加熱阻1.若基板上只有一種芯片，這個(gè)熱阻值可以統(tǒng)一附加在基板上表面 2.若基板上不止一種芯片，比如IGBT基板上就既有IGBT芯片，又有DIODE芯片，它們各自有不同的結(jié)-殼熱阻，就必須把面積折算后不同的熱阻值分別附加在兩種芯片（與基板相接觸的）下表面。殼-散熱器熱阻Rthcs的設(shè)置與此類(lèi)似熱