晶体管瞬态热分析

晶体管瞬态热分析第1页/共14页W4-2问题描述:使用例题2中建立的晶体管模型，进行瞬态分析得到系统温度升高时晶体管的瞬态行为。确认设计要求是否满足。设计要求:1. 系统在高功率操作15分钟后要达到稳态。2. 所有部分在所有时间的最大操作温度不能超过100C。TransistorAluminumheatsinkCopperisolatorplaneofsymmetry附录C中有ANSYS命令流文件第2页/共14页W4-3例题4-基本说明读入例题2中的晶体管模型。指定瞬态分析选项并求解这些载荷步:LS1:从介质温度开始，渐进施加载荷：冷却叶片用低速(对流),晶体管用低功率(热生成),热流载荷(其它设备的辐射)。(注:在第一个载荷步，对流换热系数是阶跃施加的。)LS2:在300秒之内所有载荷不变。LS3:迅速将晶体管热生成载荷改变到高功率，冷却叶片对流载荷到高速。LS4:在900秒之内所有载荷不变。LS5:关闭时间积分得到稳态解。使用手工计算作检验。后处理瞬态结果。HeatFluxConvectionHeat

GenerationTime(seconds)LoadMagnitude1302300900SSSS第3页/共14页W4-4

例题4-求解Symmetry热流用于模拟其它设备的辐射:

q*=1500W/m2冷却叶片的集中对流:

Low: h=30W/m2/C, T=50CHigh:h=51W/m2/C, T=50C晶体管能量耗散:

10W-低功率,20W-高功率详细说明:1. 指定工作文件名为“transient”并从例题2的“transistor.db”中读入模型。检查比热和密度材料特性存在(MPLIST)。2. 进入求解器并指定为瞬态分析(ANTYPE)，使用full

方法(TRNOPT)，自动迭代求解器精度级别为5(EQSLV)。(注:工况要满足全局传导矩阵快速求解自动装配。)3. 指定均匀初始温度为50C(TUNIF)。4. 施加低功率(10W)热生成载荷(BFA):注:要知道特殊命令的用法和菜单项，请使用HELP命令。第4页/共14页W4-5例题4-求解(续)5. 施加热流在线上如前图(SFL)。6. 直接在平面效果单元上施加对流载荷。介质温度空白(SFE)。7. 附加节点温度为50C(D)。8. 使用符号检验所有施加的载荷(/PBC,/PSF,/PBF)。9. 所有实体每个时间步的所有求解结果写入结果文件(OUTRES)。10. 使用平均单元长度(d)0.015m，和平均质量材料特性，由传导计算合理的起始积分时间步长(DT):第5页/共14页W4-6例题4-求解(续)11. 指定载荷步1的结束时间为(TIME)并让自动时间步选为“ProgramChosen”(AUTOTS)。指定初始时间步长为前面计算的数值，最小时间步长为初始值/4,最大时间步长为60秒(DELTIM)。我们不需要时间步太长，因为在每个时间点载荷变化很大。载荷应是渐进的(KBC)。12. 考虑到兼顾准确性和稳定性，一阶瞬态积分参数设置为THETA=0.75。设置振动极限limitOSLM=0.5公差TOL=0.1(TINTP)。13. 以文件名“tabular.db”

存储数据库(下一个练习会用到)。输入标题“LS1-TransistorActivation-1second”(/TITLE),存储数据库为jobname.db,并求解当前载荷步(SOLVE)。14. 改变标题为“LS2-LowPowerOperation-300seconds”,指定结束时间为300秒(TIME),再次求解。第6页/共14页W4-7例题4-求解(续)15. 改变标题为“LS3-HighPowerLoadRamp-302seconds”,使用

SFSCALE命令将所有换热系数乘以系数1.7,施加热生成20W(BFA),指定结束时间为302秒,求解载荷步。(注:SFSCALE命令只能直接施加载荷在有限元模型上。因此，不能对施加在实体模型上的热流载荷进行比例操作)。16. 改变标题为“LS4-HighPowerOperation-900seconds”,指定结束时间为900秒，求解载荷步。17. 改变标题为“LS5-HighPowerOperation-SteadyState”,指定结束时间为1000秒，关闭自动时间步(AUTOTS),指定该载荷步为一个子步(NSUB),关闭时间积分(TIMINT)并求解载荷步。第7页/共14页W4-8例题4-求解(续)18. 手工计算检验结果:Usingalumpedcapacitanceapproachandassumingthatloadsareconstantoverthetimeinterval,thetransientmeantemperatureresponseofasystemsubjectedtoheatflux(q*)overareaAH,convection(h,T)overareaAC,andheatgenerationcanbeestimatedwiththefollowingrelationship(Ref.1):ThelumpedcapacitancemethodshouldyieldreasonableresultssincetheBiotNumberisfarlessthan0.1forthissystem.Basedonmassaveragedproperties,themeantemperatureofthismodelasafunctionoftimeforthefirst300secondsofthetransient(lowpoweroperation)canbeapproximatedby:Estimatethemeantemperatureofthesystemattheendofthesecondloadstep(t=300seconds).Recallfrom例题2thatthehighpowersteadystatetemperaturewasestimatedusingasimilarapproachtobe97.17C.Reference:Incropera,F.P.andDeWitt,D.P.;FundamentalsofHeatandMassTransfer,ThirdEdition.JohnWiley&Sons,1990,pages234-236.第8页/共14页W4-9例题4-后处理19. 求解完成后,进入通用后处理器并选择ResultsSummary查看结果列表。20. 读入载荷步2的数据序列(t=300秒)。21. 只选择实体单元和节点。绘制节点温度结果(PLNSOL)并与手工结果相比较。22. 使用“QueryResults”功能定位最大和最小节点温度。记录节点号码用于步骤25。第9页/共14页W4-10例题4-后处理23. “SelectEverything”(ALLSEL)然后读入载荷步4的结果序列(t=900秒)。生成响应结果列表(PRRSOL)并将附加节点上响应热流速率与例题2中计算的高频率稳态值相比较。我们达到要求了吗?24. 进入时间历程后处理器，定义下列参数(TIME定义为参数1):最大温度节点的温度(NSOL)时间步长(SOLU)一阶响应特征值(SOLU)第10页/共14页W4-11例题4-后处理(续)26. 将时间步长乘以响应特征值计算振动极限(PROD)。绘制新变量(PLVAR)对时间的曲线并检查振动极限没有超过0.5。25. 获取时间步长变量的极值(EXTREM)。ANSYS是否减少了时间步长?第11页/共14页W4-12例题4-后处理(续)27. 绘制最大温度参数随时间的曲线。我们是否满足设计要求?如果不是，在什么时间不符合?如果设计要求不符合，那么怎样改变系统设计可以改善?如果有附加时间:使用文本编辑器查看求解控制文件(Jobname.mntr)路径在工作路径中。也可以使用动画功能对结果序列进行动画模拟。第12页/共14页W4-13例题4-结论在例题4中,我们通过模拟晶体管的发热过程演示了瞬态热分析技术。特别的，我们学会了如何...设置瞬