WS2晶体管稳态热分析

1、W2-1晶体管的稳态热分析晶体管的稳态热分析W2-2问题基本描述问题基本描述: 晶体管放置在铜隔热器上，该隔晶体管放置在铜隔热器上，该隔热器放置在铝制散热器上。晶体热器放置在铝制散热器上。晶体管产生热量，而且系统接收附近管产生热量，而且系统接收附近部件的辐射能。整个系统采用风部件的辐射能。整个系统采用风冷。冷。 设计要求设计要求: 整个系统热平衡时温度不超过整个系统热平衡时温度不超过 100C.TransistorAluminum heat sinkCopperisolatorplane of symmetry本例的命令流文件在附录本例的命令流文件在附录C中。中。W2-3总体分析目标总体分析目

2、标:对于本例对于本例, 假设稳态功率为假设稳态功率为20瓦，完成下列要求：瓦，完成下列要求：1. 求出系统在稳态下温度场的分布。求出系统在稳态下温度场的分布。2. 找出系统最高温度点的位置和最高温度数值。找出系统最高温度点的位置和最高温度数值。3. 判断是否有区域温度超过设计要求，如有，找出其位置。判断是否有区域温度超过设计要求，如有，找出其位置。W2-4假设假设一个平面镜象对称。一个平面镜象对称。使用使用SI单位。单位。(kg, m, s, W, J)环境的辐射作为等效均匀热流建模。环境的辐射作为等效均匀热流建模。忽略组件接口的接触热阻。忽略组件接口的接触热阻。各向同性的晶体管材料。各向同性

3、的晶体管材料。均匀晶体管热生成。均匀晶体管热生成。前面和背面无热传递前面和背面无热传递; (无轴向温度梯度无轴向温度梯度)。对流由均匀换热系数和常数的介质温度建模对流由均匀换热系数和常数的介质温度建模。深度为深度为 0.025m所有单位为米。所有单位为米。尺寸尺寸:W2-5 其他设备辐射的等效热其他设备辐射的等效热流流: q* = 1500 W/m2冷却叶片高速的冷却叶片高速的强制对流强制对流: h = 51 W/m2 CT = 50 C晶体管热耗散晶体管热耗散: 20 W - 高功率高功率热载荷热载荷Symmetry PlaneW2-6详细的前处理说明详细的前处理说明:1. 将菜单过滤为将菜

4、单过滤为Thermal(KEYW)2. 指定文件名为指定文件名为“wkshop2”(/FILNAM) 标题标题为为”Workshop 2 - Full Power Transistor Analysis - Steady-State” (/TITLE).3. 定义两个单元类型定义两个单元类型 (ET):类型类型1: PLANE77. 设置关键选项为连续的比设置关键选项为连续的比热矩阵，平面行为热矩阵，平面行为类型类型 2: SURF151. 设置关键选项为平面行为设置关键选项为平面行为 ，包括中间结点，附加结点，附加结点为流包括中间结点，附加结点，附加结点为流体温度体温度 ，在平均温度的，在平

5、均温度的h, 包括辐射。包括辐射。PLANE77可以建立可以建立两次温度分布模型两次温度分布模型。对于曲线模型类。对于曲线模型类似热沉的圆角等比似热沉的圆角等比较理想。较理想。W2-7详细前处理说明详细前处理说明:4. 定义线性材料特性定义线性材料特性。 (MP)比热和密度在此处输入。尽管他们在稳态分析中不需要，在后面第比热和密度在此处输入。尽管他们在稳态分析中不需要，在后面第4章的瞬态分析中是必须的。章的瞬态分析中是必须的。 (见下面表格见下面表格)。 MaterialPropertiesDensity(Kg/m3)SpecificHeat (J/Kg/C)ThermalCond. (W /

6、m/C)Transistor (1)350050050Isolator (2)8900385393Heat Sink (3)2700963156Mass Averaged3254.8871.7163.3W2-85. 建立模型。建立模型。a. 生成六个独立的矩形生成六个独立的矩形, 然后粘接在一起。然后粘接在一起。使用使用CreateRectangle By Dimensions 并输入矩形尺寸。并输入矩形尺寸。 (RECT) 要粘接平面，使用要粘接平面，使用 Operate GlueAreas PickAll (AGLUE)X1X2Y1Y2Rectangle 100.010.04250.05R

7、ectangle 200.02250.040.0425Rectangle 300.02250.030.04Rectangle 400.002500.03Rectangle 50.00750.012500.03Rectangle 60.01750.022500.03详细的前处理说明详细的前处理说明 (续续):W2-95. b. 生成圆角。生成圆角。 使用使用 CreateLineFillet, 然后选然后选择相交的线并输入半径择相交的线并输入半径 (0.0025)。 (LFILLT)然后使用然后使用 CreateAreas ArbitraryByLines 选择边界线选择边界线生成面。生成面。

8、(AL)详细的前处理说明详细的前处理说明 (续续):W2-10详细的前处理说明详细的前处理说明 (续续):5. c. 加所有热沉面加所有热沉面, 包括圆角面包括圆角面, 生成一个大面生成一个大面 (AADD)。(注注: 将面加在一起会得到更加均匀的单元尺寸和更好的单元形状将面加在一起会得到更加均匀的单元尺寸和更好的单元形状)。加后加后:加前加前:W2-11详细的前处理说明详细的前处理说明 (续续):6.a. 每个面的属性对齐每个面的属性对齐使用使用 MeshToolElement AttributesAreasSet (AATT)b. 设置设置SmartSize级别级别= 3使用使用 Mesh

9、ToolSmartSize(SMRT)c. 划分面。划分面。使用使用 MeshTool 指定划分指定划分:Areas, Shape: Quad, Mesher: Free (AMESH)MaterialPropertiesDensity(Kg/m3)SpecificHeat (J/Kg/C)ThermalCond. (W /m/C)Transistor (1)350050050Isolator (2)8900385393Heat Sink (3)2700963156Mass Averaged3254.8871.7163.3W2-127. a. 尽管不是必要，带附加结点的平面效果单元选尽管不是必

10、要，带附加结点的平面效果单元选项用来简化对流热损失计算。要生成他们项用来简化对流热损失计算。要生成他们: 选择选择对流面上的结点和相连的单元对流面上的结点和相连的单元。选择外部线。然后重新选择施加对流载荷的选择外部线。然后重新选择施加对流载荷的线线 (LSEL)。使用使用Select Nodes Attached to Lines, all (NSLL)。然后使然后使用用Select ElementsAttached toNodes (ESLN)。单元结果绘图单元结果绘图:详细的前处理说明详细的前处理说明 (续续):W2-137. b. 生成生成 “附加附加”结点。结点。 使用使用 Creat

11、eNodeIn Active Csys 并指定结点号并指定结点号 5000 (N)。位置位置可选可选; 建议建议x=0, y= -0.01, z=0。c. 定义缺省网格属性为定义缺省网格属性为SURF151。使用使用 MeshTool 或或 AttributesDefineDefault Attributes。 (TYPE,MAT,REAL)d. 生成平面效果单元。生成平面效果单元。(ESURF)使用使用 CreateElements SurfEffectExtraNode (ESURF)平面效果单元绘图平面效果单元绘图:详细的前处理说明详细的前处理说明 (续续):W2-14详细的前处理说明详

12、细的前处理说明 (续续):8. 选择所有模型实体，并存储数据库为选择所有模型实体，并存储数据库为wkshop2.db。 (SAVE)9. 使用使用 FileSaveAstransistor.db 生成数据库的另一个备份，可生成数据库的另一个备份，可以在后面的例题中调入。以在后面的例题中调入。重要重要: 确认步骤9完成，因为下面的例题要用到。W2-15详细说明详细说明 - 求解器求解器10. 进入求解器并指定稳态分析进入求解器并指定稳态分析 (ANTYPE)。11. 在晶体管面上直接施加全功率热生成率在晶体管面上直接施加全功率热生成率 (BFA):12. 在线上施加等效辐射热流在线上施加等效辐射

13、热流 (SFL)。13. 在平面效果单元上施加对流载荷在平面效果单元上施加对流载荷。介质温度空白介质温度空白 (SFE)。14. 附加结点温度为附加结点温度为 50 C (D)。15. 使用标记查看所有施加的载荷使用标记查看所有施加的载荷 (/PBC, /PSF, /PBF)。16. 选择所有实体并选择所有实体并存储数据库存储数据库 为为wkshop2.db。17.进行求解进行求解 (SOLVE)。确认结束或查看出错文件确认结束或查看出错文件3mW5,333,334.025m).0075m(.02mW20q W2-1618. 进入通用后处理器并绘制系统温度分布进入通用后处理器并绘制系统温度分布

14、 (/POST1, PLNSOL) 使用选择方法选择所有使用选择方法选择所有 类型类型1, PLANE77,单元和结点进行后处理。单元和结点进行后处理。 然后使用然后使用Plot Results NodalSolutionDOF solution Temperature。详细说明详细说明-后处理后处理(续续.)W2-1719. 找出系统最大温度位置和数值。找出系统最大温度位置和数值。用结点排序寻找最大温度点。使用用结点排序寻找最大温度点。使用 :List ResultsSortNodesDOF SolutionTemperature. (NSORT)List ResultsNodal Solu

15、tionTemperature. (PRNSOL)Unsort Results. (NUSORT)详细说明详细说明-后处理后处理(续续.)W2-1819. 续续另外，使用绘图定位结点并绘制结点温度数值另外，使用绘图定位结点并绘制结点温度数值:关闭关闭 Power Graphics (/GRAPHICS,FULL) Query ResultsNodal SolutionDOF solution20. 找出系统的对流热损失。因为热损失只在对流中产生，我们可以使找出系统的对流热损失。因为热损失只在对流中产生，我们可以使用响应热流速率。用响应热流速率。 Hint: Select Everything

16、(ALLSEL)List ResultsReaction SolutionHeat Flow (PRRSOL)在此出结果在此出结果: 我们将使用这个结果与手工计算相比较。我们将使用这个结果与手工计算相比较。 详细说明详细说明-后处理后处理(续续.)W2-1921. 显示温度为或超过显示温度为或超过100 C的模的模型区域。型区域。使用使用 Select Nodes By Results DOF Solution Temp 并输入数值范围。并输入数值范围。 (NSEL)选择与结点相连的单元，然后绘选择与结点相连的单元，然后绘制温度解。制温度解。 (PLNSOL)详细说明详细说明-后处理后处理(续

17、续.)W2-2022. 生成热流向量图生成热流向量图. (PLVECT)使用使用 Plot ResultsVector PlotPredefinedThermal Flux ，由于模型有多种材料，使用由于模型有多种材料，使用 element centroid 为向量解位置为向量解位置。23. 生成温度梯度向量图生成温度梯度向量图 (PLVECT)使用使用 Plot ResultsVector PlotPredefined Thermal Flux ，由于模型有多种材料，使用由于模型有多种材料，使用 element centroid 为向量解为向量解位置位置。详细说明详细说明-后处理后处理(续续

18、.)W2-2124. 生成扩展结果图生成扩展结果图: 温度云图。扩展温度云图。扩展结果图允许绘制对称平面上的结果结果图允许绘制对称平面上的结果。选择所有选择所有 PLANE77 单元。单元。Plot Controls Style Symmetry Expansion Periodic/Cyclic (/EXPAND) 并输并输入对称面。然后重化结果。入对称面。然后重化结果。 (PLNSOL)详细说明详细说明-后处理后处理(续续.)W2-2225. 进行手工计算校核进行手工计算校核:热从热源和热流载荷流入模型并通过对流面流出模型。要确认施加了热从热源和热流载荷流入模型并通过对流面流出模型。要确认施加了正确的载荷，就计算模型在高功率的稳态响应热流速率。使用该数值正确的载荷，就计算模型在高功率的稳态响应热流速率。使用该数值与平面效果单元介质流体节点与平面效果单元介质流体节点(节点号码为节点号码为5000)的响应热流速率相比较的响应热流速率相比较。记住模型是对称的并有单位深度记住模型是对称的并有单位深度 (实际深度的实际深度的40倍倍), 因此热流速率比因此热流速率比实际的晶体管要大很多实际的晶体管要大很多 (20 倍倍)fluxheattoexposedareaAvolumetransistorV:AVHTHTwhereq