功率器件及其散热装置温度场的数值仿真研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.04MB 58 页 15积分
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摘 要
对功率器件散热器及伺服驱动器进行了散热数值分析与优化设计，建立了一
套完整的热分析方法，并结合工程实例进行建模以及热分析，验证分析研究方法
的可行性和准确性。
根据流体动力学基本方程和传热学基本理论建立了求解流场与温度场的数学
模型，湍流数值模拟采用RNG
k
模型。采用有限容积法对积分控制方程进行离
散，对流扩散项的离散使用QUICK格式，采用SIMPLER方法处理速度－压力的耦
合问题；使用ANSYS计算了基于平均对流换热系数法的功率器件温度场，使用
FLOTHERM计算了基于微单元时变对流换热系数法的功率器件温度场。对比计算
结果和实验结果，前者计算结果误差较大，后者与实验数据相吻合。从而验证了
该方法温度场计算的准确性。
考虑增强散热器的辐射能力进行计算，结果表明散热器散热性能有很大提高，
并以散热器肋片高度与数量为优化参数，对31种方案进行计算，绘制出温度变化
趋势图。结果表明，当肋片高度一定时，肋片数量为12时散热性能最好。利用
FLOTHERM建立强迫风冷伺服驱动系统的散热计算模型，计算伺服驱动系统内部
的流场和温度场，得到主要元器件的温升。计算结果表明，电容附近温度偏高，
这将影响电容工作状态及寿命，据此提出了硬件电路设计时应采取的相应策略。
关键词：数值分析 功率器件 温度场 有限容积法 散热器 优化设计
ABSTRACT
The performance and structure optimization design of flat fin heat sink and
3-dimensional temperature field of servo driver system were investigated. An integral
thermal analysis method was presented, by which several engineering problems were
modeled and analyzed.
Mathematical model dealt with flow and temperature field was presented based on
the principle of numerical heat transfer and computational fluid dynamics, adopting
RNG
k
model to simulate turbulent flow. The discretization of integral control
equation was deduced by adopting FVM (Finite Volume Method), with QUICK scheme
using for convective term discretization. SIMPLER method was used in treatment of
linkage between velocity and pressure; then 3-dimensional temperature field of heat
sink was analyzed and calculated. The results compared with the experimental values
and numerical ones indicate that the method solved the heat sink performance based on
the micro-element time-varied coefficient of convective heat transfer is more accurate
than the conventional method based on the average thermo-boundary coefficient of
convective heat transfer.
To improve the heat sink performance, strengthening radiation heat transfer and
optimizing heat sink structure were considered. 31 optimization schemes were
calculated with fins height and numbers as variants. The temperature rise trend shows
the heat sink has best thermal performance when fins number is 12. The computational
model of servo driver which used forced air cooling system was established by
FLOTHERM. The flow and temperature field of servo driver system was calculated.
The results show the temperature around the capacitance was a little high, which may
reduce its life expectancy. Then some modification in hardware circuit design was
suggested.
Key Word: Numerical Analysis, Power Component, Temperature Field,
FVM, Heat Sink, Optimization Design
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 研究的背景及意义 .............................................................................................. 1
§1.2 国内外研究现状及发展趋势 .............................................................................. 2
§1.2.1 研究现状 ........................................................................................................2
§1.2.2 电子设备热分析与设计的发展趋势 ............................................................4
§1.3 关键技术 .............................................................................................................. 5
§1.4 本文内容 .............................................................................................................. 7
第二章 功率器件及其散热装置温度场模型的建立 .....................................................9
§2.1 流体动力学基本方程 .......................................................................................... 9
§2.1.1 质量守恒方程 ................................................................................................9
§2.1.2 动量守恒方程 ..............................................................................................10
§2.2.3 能量守恒方程 ..............................................................................................12
§2.2 湍流模型 ............................................................................................................ 15
§2.3 控制方程的通用形式 ........................................................................................ 18
§2.4 初始条件与边界条件 ........................................................................................ 19
第三章 功率器件及其散热装置温度场的数值求解 ...................................................21
§3.1 有限容积法概述 ................................................................................................ 21
§3.2 积分形式的控制方程 ........................................................................................ 22
§3.3 控制方程的离散 ................................................................................................ 22
§3.3.1 对流－扩散方程的离散化 ..........................................................................23
§3.4 收敛的判断 ........................................................................................................ 26
第四章 功率器件散热器温度场仿真分析 ...................................................................27
§4.1 散热器物理模型 ................................................................................................ 27
§4.2 散热器温度场线性仿真分析 ............................................................................ 28
§4.3 散热器温度场的非线性动态仿真分析 ............................................................ 33
§4.3.1 FLOTHERM 简介 ........................................................................................ 33
§4.3.2 计算结果分析 ..............................................................................................33
§4.4 影响温度场的非线性的因素 ............................................................................ 38
§4.4.1 热辐射 ..........................................................................................................38
§4.4.2 流体性质 ......................................................................................................38
§4.4.3 材料热物性 ..................................................................................................39
§4.4 功率器件散热器的优化设计 ............................................................................ 40
第五章 伺服驱动系统温度场的数值仿真 ...................................................................43
§5.1 伺服驱动装置简介 ............................................................................................ 43
§5.2 发热器件功率损耗计算 .................................................................................... 45
§5.3 模型的简化及参数设定 .................................................................................... 46
§5.4 网格的划分以及边界条件 ................................................................................ 48
§5.5 仿真计算的结果与分析 .................................................................................... 48
第六章 全文总结 ...........................................................................................................50
参考文献 .........................................................................................................................52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................54
致 谢 ...............................................................................................................................55
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究的背景及意义
随着电子技术的发展，尤其是微电子技术的发展，电子设备日趋集成化、小
型化，电子元器件和设备的尺寸正迅速缩小，而功率却一直在增大，导致热流密
度急剧上升，于是器件本身温度也随之上升，同时电子设备周围的环境温度亦会
影响内部温度，从而影响到电子器件工作的可靠性，特别是在大功率和高集成度
的情况下导致电子设备的温度迅速提高，引起设备故障愈来愈多。研究表明，在
电子行业，器件环境温度每升高 10℃时，往往其失效率会增加一个数量级，这就
是所谓的“10℃法则”，表 1-1 为电子元件失效率与温度的关系。
表1-1 电子元件失效率与温度的关系
元件名称
基本失效率
高低温失效比率
高温
低温
玻璃和陶瓷电容
125℃时0.029
40℃时0.0009
32:1
变压器和线圈
85℃时0.0267
40℃时0.001
27:1
炭膜电阻
90℃时0.0063
40℃时0.0002
31:1
集成电路芯片
90℃时0.051
40℃时0.0068
7.5:1
电子设备内部的元器件都有一定的工作温度范围，如表1-2所示。若超过其极限
温度，就要引起工作状态的改变，寿命缩短甚至损坏。温度对元器件产生如下几
方面的影响:
1) 温度升高将导致电阻器允许耗散功率下降，如果温度过高可能会使电阻器
的寿命降低。所以，一般电阻器的使用环境温度都有限制，如RTX小型碳膜电阻
器只有在40℃环境温度能在额定功率下工作，若超过这个温度就要降低功率使用。
另外温度过高会使热噪声增大，温度变化会使阻值变化。
2) 温度对电容器、电感元件和变压器的影响主要是减低寿命。
3) 温度过高会使半导体器件的电性能变坏。如工作点漂移、增益不稳定、失
真等，严重时会引起热击穿。因此，半导体器件通常的工作温度不能太高。如：
锗管不得超过 70℃~100℃，硅管不得超过150℃。
4) 温度对电子装置内部的绝缘材料也有较大的影响，当超过其极限温度时，
绝缘材料老化、变质，甚至损坏。
功率器件及其散热装置温度场的数值仿真研究
2
表1-2 常用元器件和绝缘材料的允许工作温度
元器件名称
表面允许
温度(℃)
元器件名称
表面允许
温度(℃)
表面允许
温度(℃)
变压器
95
电解电容器
60~85
140
扼流圈
95
薄膜电容器
60~130
180
碳膜电阻
120
云母电容器
70~120
70
金属膜电阻
100
纸介电容器
75~85
78
体积碳质电阻器
150
陶瓷电容器
80~85
80
钯膜电容器
200
玻璃陶瓷电容器
200
85~90
印制电阻器
85
锗晶体管
70~100
110
印制线绕电阻器
150
硅晶体管
150
140
涤线绕电阻器
225
硒整流管
75~85
130
铝制电解电容器
60~85
电子管
150~200
250
实践表明，只要有效地控制温升，就可以提高元器件的使用功率，延长它的
寿命，并保证电子设备稳定、可靠地工作。因此电子设备的热设计在整个产品的
设计中占有越来越重要的地位。传统的热设计方法已经很难适应需要，它只是根
据经验类比或应用有限的换热公式进行预先估计，最终主要在产品制造完成后对
其进行多次反复的试验完成整个热设计过程。其缺陷是结果不够精确，为保证散
热效果，通常留有较大的余量，易造成材料浪费，占用较大空间，且设计速度慢，
开发时间过于冗长，己无法满足现代电子产品的开发要求。
为了保证设备正常工作，就必须要对电子设备进行科学的热设计。良好的热
设计是保障电子设备元件运行稳定与可靠的基础。借助热分析软件能真实的模拟
系统的热状态，设计人员在设计过程中就能预测到各电子元件的工作温度值，纠
正不合理的元件位置，取得良好的布局，从而可以缩短产品的设计开发周期。其
次，经过在产品的开发过程中若干次的改进设计，设计人员可以对电子设备进行
有效的热控制，使其在规定的温度极限范围内工作，从而提高了电子设备的可靠
性。
§1.2 国内外研究现状及发展趋势
§1.2.1 研究现状
国外在六十年代就开始电子设备热分析的研究工作。在该领域对于很多热设
计、热分析及热仿真方面的问题都开展研究，并积累了大量的实验数据与经验公
式。并利用此开发出了一系列实际应用中的热设计、热分析及热仿真工程软件。
摘要：

摘要对功率器件散热器及伺服驱动器进行了散热数值分析与优化设计，建立了一套完整的热分析方法，并结合工程实例进行建模以及热分析，验证分析研究方法的可行性和准确性。根据流体动力学基本方程和传热学基本理论建立了求解流场与温度场的数学模型，湍流数值模拟采用RNGk模型。采用有限容积法对积分控制方程进行离散，对流扩散项的离散使用QUICK格式，采用SIMPLER方法处理速度－压力的耦合问题；使用ANSYS计算了基于平均对流换热系数法的功率器件温度场，使用FLOTHERM计算了基于微单元时变对流换热系数法的功率器件温度场。对比计算结果和实验结果，前者计算结果误差较大，后者与实验数据相吻合。从而验证了该方...

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