【《不同冷却工质下电路板的冷却效果仿真分析案例》2800字】

不同冷却工质下电路板的冷却效果仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u25764不同冷却工质下电路板的冷却效果仿真分析案例 1113061.1不同冷却工质下电路板的冷却效果 1302761.2拟合发热功率和评价指标关系曲线 7307581.2.1最小二乘法拟合的基本原理 7192961.2.2功率和各个评价指标的拟合曲线 81.1不同冷却工质下电路板的冷却效果由于不同的工作流体的冷却效果不同，因此非常有必要解决应该使用哪种工作流体来冷却电路板效果更好这个问题。根据冷却结果的变化来分析每种不同工质的冷却性能。以下使用空气、二氧化碳、氢气和氮气进行比较。表8显示了设计模型的参数。图6-9为模拟图，表9-10为数据分析。表8模型的参数：名称表达式描述q_source(2/3)*1.5[W]/(20*20*2)[mm3]1.25E6W/m3在每个单位上的发热功率T0293[K]291.00K空气温度Patm1[atm]1.0133E5Pa冷却介质压力图6：使用空气进行冷却的温度和速度场图7：使用二氧化碳作为冷却工质的温度和速度场图8：使用氢气作为冷却工质的温度和速度场图9：使用氮气作为冷却工质的温度和速度场表9四种工质速度场的各项评价指标：速度场空气二氧化碳氢气氮气平均值0.13900.15550.05780.1383方差0.11660.12160.05180.1161平滑度0.01340.01460.00270.0133三阶矩4.8988e-041.7480e-047.7066e-054.9057e-04一致性0.01100.01100.01100.0110熵569.1874652.6056165.6887565.7968表10四种工质温度场的各项评价指标：温度场空气二氧化碳氢气氮气平均值341.2876337.0935391.5700345.8601方差24.104424.788749.529724.3438平滑度0.99830.99840.99960.9983三阶矩-4.4034e+03-1.7132e+03-1.9600e+04-4.5226e+03一致性1.2599e-041.2599e-041.2599e-041.2599e-04熵-1.0852e+10-1.0570e+10-1.4983e+10-1.1170e+10从上图可以看出，使用二氧化碳作为工质冷却时的平均温度最低，使用氢气作为工质冷却时的平均温度最高。因为速度对热交换有很大影响。速度越快，吸热能力越强，热交换效果越好，相反，速度越慢，热交换效果越差。同时，方差越大，温度分布越不均匀，给电路板带来轻微的压力。这种长期的应力会使电路板疲劳并容易失效。所以方差应尽可能小。标准差和平滑度所测量的对象本质上相同，因此标准差和平滑度释义可以通用。三阶矩的正负表示数值的偏差程度。上图显示电路板中右侧的速度高于平均速度，因此右侧的温度也偏低的。一致性表示值的均匀程度。表中速度场值和温度场一致性值都是一样的，可以看是非常均匀的值。熵是稳定性的度量，如果该值很大，则表示图像值分布随机性很大。熵值为0时，则表示图像具有恒定值。从表中可以看出，速度和温度值越高，熵值越高。由表10可知，二氧化碳的平均温度最低，因此优先使用其进行冷却，但与空气的差异不大，而且空气容易获得，所以一般采用空气进行冷却。氢气在温度场中产生的方差最大，平均温度最高，熵值最高。因此，这种工作流体从不用于冷却电路板。1.2拟合发热功率和评价指标关系曲线1.2.1最小二乘法拟合的基本原理现代研究中，物理量之间的关系通常用函数来描述[7]。实验数据的理论分析和具有适当功能的数据原型的模拟是非常重要的步骤。最常见的近似原则是最小化实验数据和估计数据之间的平方距离之和。这就是最小二乘法[7]。以下简介最小二乘法的原理。本质上其属于算数平均值原理的推广。多次独立的而且同精度测量得的最佳值，残差明显符合公式，因为对于任意L：因此当时为最小值。两个量之间的关系，就可以通过运用此原理进行解决。[12]1.2.2功率和各个评价指标的拟合曲线我们选择电路板及元器件材料时或者选择元件排列布局时，都应当考虑到它们运行时所产生的热量，125℃是电路板温升加环境温度不能超过的界限[6]。组件温度每升高10℃，其故障率就会增加一倍[8]。随着电路板上的元件越来越多，大功率电子器件的尺寸越来越小，电路板的散热性能就需要得到改善。高要求，高标准就决定了电路板的功率、速度和温度领域的各项指标必须满足不同加热功率的电路板，必须对发热元件进行相应的分析，从而采用适当的技术来降低温度。下面使用最小二乘法拟合曲线。不同的加热功率下，使用相同的冷却工质（空气），通过matlab计算分析出六个评价指标的值。（程序见附录A）。结果见表11-12。表11不同的功率在空气冷却下速度场各个评价指标的变化：功率平均值方差平滑度三阶矩一致性熵W/m3m/s8.33e40.04910.04380.00194.1503e-050.0097155.06021.67e50.06750.05970.00361.0036e-040.0097252.69891.33e50.09180.08050.00642.3056e-040.0097395.28225e50.10910.09500.00891.6637e-040.0097501.70156.67e50.12270.10650.01125.052e-040.0097586.96468.33e50.13410.11610.01336.4677e-040.0097657.85421e60.14390.12430.01527.9079e-040.0097717.94201.17e60.15260.13160.01709.3947e-040.0097770.17111.33e60.16030.13810.01870.00110.0097815.69021.5e60.16720.14410.02030.00120.0097855.9231表12不同的功率在空气冷却下温度场各个评价指标的变化：功率平均值方差平滑度三阶矩一致性熵W/m3K8.33e4310.73145.12910.9634-30.31561.0472e-04-1.0586e+101.67e5316.95258.03610.9848-137.11841.0472e-04-1.1057e+101.33e5327.493511.03490.9941-677.18551.0472e-04-1.1886e+105e5336.982917.60880.9968-1.7854e+031.0472e-04-1.2665e+106.67e5345.873421.92390.9979-1.5964e+031.0472e-04-1.3424e+108.33e5354.397826.07300.9985-6.2417e+031.0472e-04-1.4177e+101e6362.655030.08420.9989-9.8534e+031.0472e-04-1.4930e+101.17e6370.738934.01160.9991-1.4546e+041.0472e-04-1.5692e+101.33e6378.665237.84210.9993-2.0454e+041.0472e-04-1.6460e+101.5e6386.475541.60050.9994-2.7695e+041.0472e-04-1.7239e+10从上述两表中，可以看出随着功率的提高，速度和温度的均值、方差、平滑度和三阶矩提高。因此功率越大，电路板散热越差，而且速度值越向右，值越大，温度值越小，温度分布越来越紊乱，易使电路板受应力损坏。取两表数据曲线拟合。（程序见附录B）图10：功率和速度场速度均值的拟合图形随着功率的提高，平均速度将逐渐增加，但是增加的量会越来越少。最后速度不变，功率继续增加，会降低电路板的散热能力并损坏电路板。图11：功率和速度场速度方差的拟合图形随着功率的提高，方差逐渐增加，但变化减小，风速最终趋于恒定。若功率继续增加，电路板的散热能力大大降低，对电路板是非常有害的。图12：功率和速度场速度平滑度的拟合图形平滑度与方差结果类似，且意义相同。图13：功率和速度场速度三阶距的拟合图形随着功率的提高，三阶矩逐渐增大，且变化越来越大。因此功率越大，速度越向没有装备元件的一侧的偏离，导致元器件的散热冷却性能降低。图14：功率和速度场速度一致性的拟合图形一致性保持恒定。图15：功率和速度场速度熵的拟合图形随功率的提高，熵也在逐渐增大。图16：功率和温度场温度均值的拟合图形随着功率的提高，电路板的温度越来越大，当电路板的温升超过125℃，电路板就失效了。因此，在使用大功率组件时，应使用强制对流，或使用自然对流散热且添加其他散热方式。从该图可以看出，当功率达到1.5E+06W/m3时，温度达到113℃。电路板温度每升高10度，故障率就会增加55%。因此如果功率继续上升，就可能会导致电路板故障。图17：功率和温度场温度方差的拟合图形随着功率的提高，方差也随之增加，且几乎成正比，同时方差越大，温度分布越不均匀，容易造成局部温度过高，产生热点并生成热应力。如果热应力足够高，则零件会破裂，PCB会变形。所以要使电路板上的温度不均匀性不至于过高。图18：功率和温度场温度平滑度的拟合图形平滑度与方差结果类似，且意义相同。图19：功率和温度场温度三阶矩的拟合图形随着功率的提高，三阶矩从负值开始减小，则温度值向安装有元件组的一侧偏斜，即左侧，温度值逐渐升高，电路板的散热效果越来越差。当超过一定值时，电路板会过热，容易出现故障。图20：