Flotherm在产品开发中的应用

1、Flotherm在产品开发中的应用在产品开发中的应用艾默生网络能源艾默生网络能源毕金成毕金成 蒋康涛蒋康涛nFlotherm在TEC产品仿真分析中的应用n吹风方式时风扇进口栅格模型的建立方法n一种新的功率模块热仿真模型的建立方法nFlotherm在在TEC产品仿真分析中的应用产品仿真分析中的应用n吹风方式时风扇进口栅格模型的建立方法n一种新的功率模块热仿真模型的建立方法nTEC，即热电制冷，具有结构简单、体积小、启动快、控制灵活等特点，因此应用日渐广泛。热电制冷由帕尔贴效应、塞贝克效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应等五种效应构成。 n整个TEC组件（TEA）由以下几个部分组成：若干个TEC

2、模块（TEM），冷热端散热器及风扇各一套，冷热两端之间由隔热材料填充。单个TEM由两片陶瓷基片以及若干个PN极偶对组成。 n其中上下两层陶瓷基片的尺寸参照实际TEM的尺寸，冷端、热端及电阻三层的高度均为极偶对实际高度的1/3，平面方向的尺寸与陶瓷基片相同。其中电阻层模拟TEM的焦耳热，按TEM实际工作电流给定发热电流，考虑电阻随温度的变化；冷热两层模拟TEM的吸放热，两个热源数值相等，符号相反。 陶瓷 热端 冷端 电阻 图 1 TEM 模块模型构成 n冷热两个端各包括两个热源，一个常量，一个与温度相关。塞贝克系数随温度变化而变化，在-50oC和50oC之间可以视为线性的，设为 =MT+Bn冷端

3、热源： Source 1: -2NI(273.15)B (W) Source 2: Coefficient =2NI(273.15M+B)/V (W/K/m3) Value = 0.0 (oC) 其中塞贝克系数M, B常数T温度N极偶对数V热源体积n具体模型建立，可以借助Flomerics网站上提供的宏Thermoelectric Cooler Generator （http:/ 应用实例应用实例 n机柜尺寸1280mmX720mmX650mm，机柜内贴保温棉，并摆放12个蓄电池。外侧散热组件电池柜外侧散热组件外侧散热组件内侧散热组件保温棉电池a. 外侧 b. 内侧电池柜模型TEA模型n整个T

4、EC组建模型如右图所示8个TEM内侧风机及散热器外侧风机及散热器 保温层n计算45度和60度两种工作环境下，TEM工作电流分别为2.6A、2.3A和2A时TEC组件的总制冷量，如下表所示。 电流环境2.6A2.3A2.0A45度190186.518060度-209.8201.8更改机柜内热负荷n各TEM之间间隙3mm，工作电流2A，工作环境温度为45度时，调整热负荷 每节电池发热12W时，制冷量是182W; 每节电池发热10W时，制冷量是169.5W; 每节电池发热8.5W时，制冷量是162.5W 更改各TEM之间的间隙n环境温度45度，工作电流2A，每个电池的发热量为8.5瓦。 忽略TEM

5、间隙的时候，TEC制冷量为158.5W 各TEM间隙为3mm时，制冷量为161.3W; 各TEM间隙为5mm时，制冷量为168.2W。改变内侧风扇n环境温度45度，TEM工作电流2A，热负荷120W。 更换内侧风扇 当采用4000RPM的风扇时，整个TEC组件的制冷量为171.4W 当采用3700RPM的风扇时，整个TEC组件的制冷量为169.5W实例n环境温度45度，TEM工作电流2.6A，每个电池热损耗8W，计算所得TEC组件的制冷量是133.7W 电池柜内温度分布如图所示：实验结果环境45度，稳定7小时后测试结果，如左下图所示，1、2号电池的温升情况如右下图所示。计算结果和测量值偏差在2

6、度之内。第一层第二层第三层42.342.540.642.843.441.141.544.243.825272931333537394143450123456781号电池变化图2号电池变化图结论n1. TEC仿真结果显示，TEC随温度、工作电流等因素的变化趋势是合理的n2. 结合实例，仿真结果和测试数据基本吻合nFlotherm在TEC产品仿真分析中的应用n吹风方式时风扇进口栅格模型的建立方法吹风方式时风扇进口栅格模型的建立方法n一种新的功率模块热仿真模型的建立方法问题的提出问题的提出n在对某产品做热仿真计算时发现：面阻尼紧贴风扇进口和风扇本体加阻尼两种模型的计算结果有所差别，后者功率管温升比前

7、者高。同一现象在其他产品中也有体现。 对于风扇吹风式冷却模块，原有的建模方式是风扇的进风面紧贴机壳前面板，前面板设置为平面几何体（即，不考虑其厚度）或打孔,然后建立与风扇端面相同大小的面阻尼（Collapsed Resistance）叠放在风扇进风面，如图所示图2.1 模型示意图 风扇栅格前面板 在Flotherm软件的项目管理器的目录树中，几个模型的相对位置如图所示。 或图2.2 目录树风扇进风栅格前面板 根据软件本身规定的目录树中的层次级别，下层的模型优先级别高于上层，即，下层元件模型覆盖上层，因此，一般认为目录树中风扇级别优于面板，而进风栅格优于风扇，即，风扇进口覆盖了重叠部分的面板，而

8、栅格覆盖了风扇进风口。 n然而通过对几种建模方法的比较发现：这种建模方式计算的结果，与不建立栅格模型相仿，即栅栅格模型被软件忽略了！格模型被软件忽略了！（栅格孔隙率为50） a.建立栅格模型的仿真结果 b.未建立栅格模型的仿真结果图 2.3 仿真所得风扇的工作风量 而在风扇本体上添加栅格影响（孔隙率50）图2.4 风扇本体添加阻尼图解 在风扇本体上添加孔隙率50阻尼所得的计算结果，风扇的总风量为0.00663m3/s,可见原有的建模方式使得风扇的风量增大了42！图2.5 风扇本体添加栅格影响的计算结果 当进风栅格的孔隙率小于50%，或者风扇的工作点出现在风扇的拐点附近时，这一差别将会更加明显。

9、从而放大仿真误差，引起的危害是，热设计方案的余量过小，甚至仿真通过的方案实测温度过高。 另一种建模方法另一种建模方法n在风扇出口处加面阻尼 栅格图2.6 风扇出口添加栅格模型图n此种模型的总风量为0.00661m3/s，与风扇本体加阻尼相仿 图 2.7 风扇出口添加栅格影响的计算结果 n风扇前3mm处添加面阻尼，流量比风扇本体加阻尼高出约15.9%。经分析，流量增大的原因应该是：相对于风扇出口处的环形面，此处的阻尼面积增大，平均速度降低，故而压降变小。 图 2.8 风扇出口添加栅格影响的计算结果 3mm图2.9 风扇前3mm添加栅格模型图栅格n 在阻尼和风扇之间建立一个与风扇HUB直径相同的圆

10、柱。可见，流量仍比风扇本体加阻尼高出9.4%。 n原因是，阻尼的面积仍然比风扇环形通道大，如图所示阻尼实际通风面积风扇环形通风面积n将风扇模型在原来12面模型的基础上，改为4面模型，如图所示，并在风扇本体上加50%的开孔率。 12面模型4面模型n计算结果如图所示。与风扇本体加阻尼相比，发现改变风扇模型后，流量变化不大，在1%以内。 图2.15 4面风扇模型本体加50%孔隙率计算结果 图2.14 风扇本体添加栅格影响的计算结果 风扇采用4面模型，风扇前3mm处添加面阻尼，孔隙率为50%，计算结果如图2.16所示。若在阻尼和风扇HUB之间添加和HUB界面尺寸相同的正方体，则此时的面阻尼实际通风面积

11、与风扇通风面积相同。计算结果如图2.17所示。 图2.16. 4面风扇前3mm处加面阻尼计算结果 图2.17. 4面风扇前3mm处加面阻尼，且HOB和面阻尼之间加正方体的计算结果 对比图2.15和图2.16 发现，图2.16流量增大10%，是因为面阻尼实际通流面积增大所致。对比图2.15和图2.17发现，图2.17流量仅增大6%，应该是计算误差所致。 结论：n1. 风扇采用4面模型和12面模型对于总流量影响不大；n2. 在风扇进口紧贴风扇添加阻尼无效，即面阻尼不起作用；n3. 在风扇出口贴风扇加阻尼和风扇本体加阻尼效果相当；n4. 在风扇前一小段距离加面阻尼比风扇本体加阻尼所得流量偏大。 n从

12、操作的简单性和设计余量的角度考虑，推荐的建模方法是风扇本体加阻尼。 nFlotherm在TEC产品仿真分析中的应用n吹风方式时风扇进口栅格模型的建立方法n一种新的功率模块热仿真模型的建立方法一种新的功率模块热仿真模型的建立方法问题描述问题描述 n对于IGBT(绝缘门极晶体管)和SCR(晶闸管)等功率器件，以前在进行热仿真时，温度云图里的器件结温并不准确，而常常是需要再根据所得到的散热器表面温度和器件资料中所给的结-壳热阻值等来重新手工推算结温的数值。 n典型功率器件的结构如图1所示（功率管的芯片和基板之间是两面敷铜的氧化铝陶瓷材料，即DCB）。n以前在对相关产品进行热仿真时，所建立的功率器件模

13、型经过了一定程度的简化。主要是省掉了芯片与DCB、DCB与铜基板之间的两个焊料层；同时，把氧化铝陶瓷及其两面所敷的铜这三层简化为一个DBC实体，并根据经验给出一个基本等效的导热系数值。 铜基板芯片DCBn这样简化的原因主要是忽略很多厚度很小的薄层（如焊料层约0.08mm），以减少网格数量。在如此简化的情况下，功率器件的结温模拟得不太准确；但是，从仿真结果和测试数据的比较来看，散热器表面的温度一般还是比较准的。根据功率器件资料中的结-壳热阻和壳-散热器热阻把芯片的结温推算出来，根据结温评估热设计方案。 新的功率器件建模方法 n去掉原来建模方法中的DCB层，铜基板继续用实体建模，而把芯片直接贴在铜

14、基板的上表面，且分别把器件资料中的结-壳热阻和壳-散热器热阻通过面积折算后，加到铜基板的上下表面。 芯片两面加上热阻的铜基板举例说明n设某器件的每个SCR芯片结-壳热阻是0.17K/W，而芯片面积是18.2*18.2mm2。面积折算后的表面热阻值是0.17*18.2*18.2*10-6，即5.631*10-5K.m2/W。 添加热阻1.若基板上只有一种芯片，这个热阻值可以统一附加在基板上表面 2.若基板上不止一种芯片，比如IGBT基板上就既有IGBT芯片，又有DIODE芯片，它们各自有不同的结-壳热阻，就必须把面积折算后不同的热阻值分别附加在两种芯片（与基板相接触的）下表面。壳-散热器热阻Rthcs的设置与此类似热