Flotherm_在產品開發(fā)中的應用

1、Flotherm在產品開發(fā)中的應用在產品開發(fā)中的應用艾默生網絡能源艾默生網絡能源畢金成畢金成 蔣康濤蔣康濤nFlotherm在TEC產品仿真分析中的應用n吹風方式時風扇進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產品仿真分析中的應用產品仿真分析中的應用n吹風方式時風扇進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，具有結構簡單、體積小、啟動快、控制靈活等特點，因此應用日漸廣泛。熱電制冷由帕爾貼效應、塞貝克效應、湯姆遜效應、焦耳效應和傅里葉效應等五種效應構成。 n整個TEC組件（TEA）由以下幾個部分組成：若干個TEC

2、模塊（TEM），冷熱端散熱器及風扇各一套，冷熱兩端之間由隔熱材料填充。單個TEM由兩片陶瓷基片以及若干個PN極偶對組成。 n其中上下兩層陶瓷基片的尺寸參照實際TEM的尺寸，冷端、熱端及電阻三層的高度均為極偶對實際高度的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，兩個熱源數(shù)值相等，符號相反。 陶瓷 熱端 冷端 電阻 圖 1 TEM 模塊模型構成 n冷熱兩個端各包括兩個熱源，一個常量，一個與溫度相關。塞貝克系數(shù)隨溫度變化而變化，在-50oC和50oC之間可以視為線性的，設為 =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極偶對數(shù)V熱源體積n具體模型建立，可以借助Flomerics網站上提供的宏Thermoelectric Cooler Generator （http:/ 應用實例應用實例 n機柜尺寸1280mmX720mmX650mm，機柜內貼保溫棉，并擺放12個蓄電池。外側散熱組件電池柜外側散熱組件外側散熱組件內側散熱組件保溫棉電池a. 外側 b. 內側電池柜模型TEA模型n整個T

4、EC組建模型如右圖所示8個TEM內側風機及散熱器外側風機及散熱器 保溫層n計算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更改機柜內熱負荷n各TEM之間間隙3mm，工作電流2A，工作環(huán)境溫度為45度時，調整熱負荷 每節(jié)電池發(fā)熱12W時，制冷量是182W; 每節(jié)電池發(fā)熱10W時，制冷量是169.5W; 每節(jié)電池發(fā)熱8.5W時，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，每個電池的發(fā)熱量為8.5瓦。 忽略TEM

5、間隙的時候，TEC制冷量為158.5W 各TEM間隙為3mm時，制冷量為161.3W; 各TEM間隙為5mm時，制冷量為168.2W。改變內側風扇n環(huán)境溫度45度，TEM工作電流2A，熱負荷120W。 更換內側風扇 當采用4000RPM的風扇時，整個TEC組件的制冷量為171.4W 當采用3700RPM的風扇時，整個TEC組件的制冷量為169.5W實例n環(huán)境溫度45度，TEM工作電流2.6A，每個電池熱損耗8W，計算所得TEC組件的制冷量是133.7W 電池柜內溫度分布如圖所示：實驗結果環(huán)境45度，穩(wěn)定7小時后測試結果，如左下圖所示，1、2號電池的溫升情況如右下圖所示。計算結果和測量值偏差在2

6、度之內。第一層第二層第三層42.342.540.642.843.441.141.544.243.825272931333537394143450123456781號電池變化圖2號電池變化圖結論n1. TEC仿真結果顯示，TEC隨溫度、工作電流等因素的變化趨勢是合理的n2. 結合實例，仿真結果和測試數(shù)據(jù)基本吻合nFlotherm在TEC產品仿真分析中的應用n吹風方式時風扇進口柵格模型的建立方法吹風方式時風扇進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題的提出問題的提出n在對某產品做熱仿真計算時發(fā)現(xiàn)：面阻尼緊貼風扇進口和風扇本體加阻尼兩種模型的計算結果有所差別，后者功率管溫升比前

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

8、柵格覆蓋了風扇進風口。 n然而通過對幾種建模方法的比較發(fā)現(xiàn)：這種建模方式計算的結果，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果 b.未建立柵格模型的仿真結果圖 2.3 仿真所得風扇的工作風量 而在風扇本體上添加柵格影響（孔隙率50）圖2.4 風扇本體添加阻尼圖解 在風扇本體上添加孔隙率50阻尼所得的計算結果，風扇的總風量為0.00663m3/s,可見原有的建模方式使得風扇的風量增大了42！圖2.5 風扇本體添加柵格影響的計算結果 當進風柵格的孔隙率小于50%，或者風扇的工作點出現(xiàn)在風扇的拐點附近時，這一差別將會更加明顯。

9、從而放大仿真誤差，引起的危害是，熱設計方案的余量過小，甚至仿真通過的方案實測溫度過高。 另一種建模方法另一種建模方法n在風扇出口處加面阻尼 柵格圖2.6 風扇出口添加柵格模型圖n此種模型的總風量為0.00661m3/s，與風扇本體加阻尼相仿 圖 2.7 風扇出口添加柵格影響的計算結果 n風扇前3mm處添加面阻尼，流量比風扇本體加阻尼高出約15.9%。經分析，流量增大的原因應該是：相對于風扇出口處的環(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 風扇出口添加柵格影響的計算結果 3mm圖2.9 風扇前3mm添加柵格模型圖柵格n 在阻尼和風扇之間建立一個與風扇HUB直徑相同的圓

10、柱?？梢?，流量仍比風扇本體加阻尼高出9.4%。 n原因是，阻尼的面積仍然比風扇環(huán)形通道大，如圖所示阻尼實際通風面積風扇環(huán)形通風面積n將風扇模型在原來12面模型的基礎上，改為4面模型，如圖所示，并在風扇本體上加50%的開孔率。 12面模型4面模型n計算結果如圖所示。與風扇本體加阻尼相比，發(fā)現(xiàn)改變風扇模型后，流量變化不大，在1%以內。 圖2.15 4面風扇模型本體加50%孔隙率計算結果 圖2.14 風扇本體添加柵格影響的計算結果 風扇采用4面模型，風扇前3mm處添加面阻尼，孔隙率為50%，計算結果如圖2.16所示。若在阻尼和風扇HUB之間添加和HUB界面尺寸相同的正方體，則此時的面阻尼實際通風面積

11、與風扇通風面積相同。計算結果如圖2.17所示。 圖2.16. 4面風扇前3mm處加面阻尼計算結果 圖2.17. 4面風扇前3mm處加面阻尼，且HOB和面阻尼之間加正方體的計算結果 對比圖2.15和圖2.16 發(fā)現(xiàn)，圖2.16流量增大10%，是因為面阻尼實際通流面積增大所致。對比圖2.15和圖2.17發(fā)現(xiàn)，圖2.17流量僅增大6%，應該是計算誤差所致。 結論：n1. 風扇采用4面模型和12面模型對于總流量影響不大；n2. 在風扇進口緊貼風扇添加阻尼無效，即面阻尼不起作用；n3. 在風扇出口貼風扇加阻尼和風扇本體加阻尼效果相當；n4. 在風扇前一小段距離加面阻尼比風扇本體加阻尼所得流量偏大。 n從

12、操作的簡單性和設計余量的角度考慮，推薦的建模方法是風扇本體加阻尼。 nFlotherm在TEC產品仿真分析中的應用n吹風方式時風扇進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題描述問題描述 n對于IGBT(絕緣門極晶體管)和SCR(晶閘管)等功率器件，以前在進行熱仿真時，溫度云圖里的器件結溫并不準確，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-殼熱阻值等來重新手工推算結溫的數(shù)值。 n典型功率器件的結構如圖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以前在對相關產品進行熱仿真時，所建立的功率器件模

13、型經過了一定程度的簡化。主要是省掉了芯片與DCB、DCB與銅基板之間的兩個焊料層；同時，把氧化鋁陶瓷及其兩面所敷的銅這三層簡化為一個DBC實體，并根據(jù)經驗給出一個基本等效的導熱系數(shù)值。 銅基板芯片DCBn這樣簡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），以減少網格數(shù)量。在如此簡化的情況下，功率器件的結溫模擬得不太準確；但是，從仿真結果和測試數(shù)據(jù)的比較來看，散熱器表面的溫度一般還是比較準的。根據(jù)功率器件資料中的結-殼熱阻和殼-散熱器熱阻把芯片的結溫推算出來，根據(jù)結溫評估熱設計方案。 新的功率器件建模方法 n去掉原來建模方法中的DCB層，銅基板繼續(xù)用實體建模，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-殼熱阻和殼-散熱器熱阻通過面積折算后，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明n設某器件的每個SCR芯片結-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-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的設置與此類似熱