晶体管的稳态热分析

例题2晶体管的稳态热分析W2-2问题基本描述: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。整个系统采用风冷。设计要求:整个系统热平衡时温度不超过100°C.TransistorAluminumheatsinkCopperisolatorplaneofsymmetry本例的命令流文件在附录C中。W2-3晶体管稳态热分析总体分析目标:对于本例,假设稳态功率为20瓦，完成下列要求：1. 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。3.判断是否有区域温度超过设计要求，如有，找出其位置。W2-4晶体管稳态热分析假设一个平面镜象对称。使用SI单位。(kg,m,s,W,J)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。各向同性的晶体管材料。均匀晶体管热生成。前面和背面无热传递;(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。深度为0.025m所有单位为米。尺寸:W2-5

晶体管稳态热分析其他设备辐射的等效热流:q*=1500W/m2冷却叶片高速的强制对流:

h=51W/m2°CT=50°C晶体管热耗散:

20W-高功率热载荷SymmetryPlaneW2-6前处理说明详细的前处理说明:1. 将菜单过滤为Thermal(KEYW)2. 指定文件名为“wkshop2”(/FILNAM)标题为”Workshop2-FullPowerTransistorAnalysis-Steady-State”(/TITLE).3. 定义两个单元类型(ET):

类型1:PLANE77.设置关键选项为连续的比热矩阵，平面行为

类型2:SURF151.设置关键选项为平面行为，包括中间结点，附加结点，附加结点为流体温度，在平均温度的h,包括辐射。PLANE77可以建立两次温度分布模型。对于曲线模型类似热沉的圆角等比较理想。W2-7前处理说明详细前处理说明:4. 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4章的瞬态分析中是必须的。(见下面表格)。W2-8前处理5.建立模型。

a.生成六个独立的矩形,然后粘接在一起。使用Create>>Rectangle>>ByDimensions并输入矩形尺寸。(RECT)

要粘接平面，使用Operate>>Glue>>Areas>>PickAll(AGLUE)

详细的前处理说明(续):W2-9前处理5.b.生成圆角。

使用Create>>LineFillet,然后选择相交的线并输入半径(0.0025)。(LFILLT)

然后使用Create>>Areas>>Arbitrary>>ByLines选择边界线生成面。(AL)详细的前处理说明(续):W2-10前处理详细的前处理说明(续):5.c.加所有热沉面,包括圆角面,生成一个大面(AADD)。

(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)。

加后:加前:W2-11前处理详细的前处理说明(续):6. a.每个面的属性对齐

使用MeshTool>>ElementAttributes>>Areas>>Set(AATT)

b.设置SmartSize级别=3

使用MeshTool>>SmartSize

(SMRT)

c.划分面。

使用MeshTool指定划分:Areas,Shape:Quad,Mesher:Free(AMESH)

W2-12Preprocessing7.a.尽管不是必要，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:选择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线(LSEL)。使用SelectNodes>>Attachedto>>Lines,all(NSLL)。然后使用SelectElements>>Attachedto>>Nodes(ESLN)。单元结果绘图:

详细的前处理说明(续):W2-13前处理7. b.生成“附加”结点。

使用Create>>Node>>InActiveCsys>>并指定结点号5000(N)。位置可选;建议x=0,y=-0.01,z=0。 c.定义缺省网格属性为SURF151。使用MeshTool或Attributes>>Define>>DefaultAttributes。(TYPE,MAT,REAL) d.生成平面效果单元。(ESURF) 使用Create>>Elements>>SurfEffect>>ExtraNode(ESURF)平面效果单元绘图:详细的前处理说明(续):W2-14前处理详细的前处理说明(续):8. 选择所有模型实体，并存储数据库为wkshop2.db。(SAVE)9.使用File>>SaveAs>>transistor.db生成数据库的另一个备份，可以在后面的例题中调入。重要:确认步骤9完成，因为下面的例题要用到。W2-15求解器详细说明-求解器10.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(BFA):12.在线上施加等效辐射热流(SFL)。13.在平面效果单元上施加对流载荷。介质温度空白(SFE)。14.附加结点温度为50°C(D)。15.使用标记查看所有施加的载荷(/PBC,/PSF,/PBF)。16.选择所有实体并存储数据库为wkshop2.db。17. 进行求解(SOLVE)。确认结束或查看出错文件W2-16后处理18.进入通用后处理器并绘制系统温度分布(/POST1,PLNSOL)

使用选择方法选择所有类型1,PLANE77,单元和结点进行后处理。然后使用PlotResults>>NodalSolution>>DOFsolution>>Temperature。详细说明-后处理(续...)W2-17后处理19.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:ListResults>>SortNodes>>DOF Solution>>Temperature.(NSORT)ListResults>>Nodal Solution>>Temperature.(PRNSOL)UnsortResults.(NUSORT)详细说明-后处理(续...)W2-18后处理19.续

另外，使用绘图定位结点并绘制结点温度数值: 关闭PowerGraphics(/GRAPHICS,FULL) QueryResults>>NodalSolution>>DOFsolution20.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。Hint:SelectEverything(ALLSEL) ListResults>>ReactionSolution>>HeatFlow(PRRSOL) 在此出结果:我们将使用这个结果与手工计算相比较。

详细说明-后处理(续...)W2-19后处理21.显示温度为或超过100°C的模型区域。使用SelectNodes>>ByResults>>DOFSolution>>Temp并输入数值范围。(NSEL)选择与结点相连的单元，然后绘制温度解。(PLNSOL)

详细说明-后处理(续...)W2-20后处理22.生成热流向量图.(PLVECT)使用PlotResults>>VectorPlot>>Predefined>>ThermalFlux，由于模型有多种材料，使用

elementcentroid为向量解位置。23.生成温度梯度向量图(PLVECT)使用PlotResults>>VectorPlot>>Predefined>>ThermalFlux，由于模型有多种材料，使用

elementcentroid为向量解位置。详细说明-后处理(续...)W2-21后处理24.生成扩展结果图:温度云图。扩展结果图允许绘制对称平面上的结果。选择所有PLANE77单元。PlotControls>>Style>>SymmetryExpansion>>Periodic/Cyclic(/EXPAND)并输入对称面。然后重化结果。(PLNSOL)详细说明-后处理(续...)W2-22 25.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(节点号码为5000)的响应热流速率相比较。记住模型是对称的并有单位深度(实际深度的40倍),因此热流速率比实际的晶体管要大很多(20倍)Answer:-445WW2-23Answer:97.17degreesC0使用本方程假设对流热阻是主要的。这比较合适于Biot数<0.1