摘    要：本文結合固體繼電器結構，采用ANSYS Icepak熱仿真分析方法進行熱仿真分析，得出固體繼電器不同環境溫度下表面和全部元器件的熱量分布云圖，以及溫升曲線，再通過熱耦法和熱成像技術測試固體繼電器實際的溫升，將實際測試結果與仿真結果進行對比，驗證軟件熱仿真結果的精度，熱仿真的精度滿足設計和應用需求。

關鍵詞：固體繼電器;熱仿真;電子散熱;熱成像技術;

1 引言

固體繼電器是一種采用半導體芯片、分立器件封裝而成的繼電器，相比傳統電磁繼電器具有抗振動、沖擊，可靠性高、壽命時間長的優點，廣泛應用于工業控制，地面、船舶、車載和機載設備。固體繼電器目前正朝小體積、高功率密度的趨勢發展。固體繼電器的熱設計、熱分析關系著產品的成敗。傳統的熱設計根據經驗公式僅對功率器件進行散熱計算，固體繼電器內部的其他器件無準確的散熱模型，未進行計算，導致產品實際溫升過高，與理論計算相差過大，使經驗計算的準確度大大降低。另一種傳統的熱設計是先裝配功能樣機進行溫升測試、驗證，再進行設計改進，這種方法需要耗費大量的時間和精力，不能滿足目前高效項目的研制需求。ANSYS Icepak是一款可進行實際工程應用的專業電子設備熱仿真分析軟件，使用Icepak進行熱仿真分析，可以縮短研制周期，減少成本[4],降低產品因為熱設計不當和熱失效的概率，提升產品質量和可靠性，讓產品快速上市，為企業帶來經濟效益。Icepak熱仿真分析軟件可以進行環境級、板級和元器件級的熱分析。廣泛應用于工業、航空航天、通訊、電器等領域。通過學習ANSYS Icepak軟件熱仿真分析技術[4]。對某型號大功率固體繼電器(以下簡稱：產品)進行熱仿真分析，分析后可得出的產品所有元器件的溫度以及熱量分布情況，在研制初期對產品結構進行改進，降低產品溫升，縮短研制周期。

2 散熱方式和熱量傳遞形式選擇

2.1 散熱方式選擇

目前，常規采用的散熱方式有自然散熱、強迫風冷、水冷，可根據產品的表面熱流密度和可接受溫升值來選擇合適的散熱方式[1,2,3,4],具體選擇方法如圖1所示。

圖1 散熱方式選擇 

產品實際使用時安裝于用戶整機設備內部，整機設備為箱體結構、未加其它輔助散熱設備。根據實際使用情況，產品散熱方式為自然散熱。

自然散熱是一種經濟的散熱方式，產品熱量通過對流、熱傳導、輻射等方式向低溫物體傳遞[1,2,3],產品通過達到散熱效果。

2.2 熱量傳遞形式

自然散熱的熱量傳遞的基本形式有3種基本形式：熱傳導、對流傳熱和熱輻射[1,2,3]。

熱量從高溫物體傳遞到低溫物體的過程稱為熱傳導。不通材料、物質、元素具備不通的熱傳導性能，也叫導熱性能，例如金屬材料的導熱性能高于非金屬材料的導熱性能。可以根據傅里葉定律對熱傳導的熱流量進行計算[1,2,3]。

式中：Φ為熱流量，W;k為導熱系數，W/(m·K);A為導熱方向的截面面積，m2;?t/?n為溫度梯度。

產品在工作時，內部器件熱量通過熱傳導的方式由內向外進行傳遞。

流體(如空氣、水)在流動過程將熱量傳遞至其他物體的現象稱為對流傳熱?？筛鶕ｎD冷卻公式對流傳熱所傳遞的熱流量進行計算[1,2,3]。

Φ=hA(tw-tf)

式中，Φ為熱流量，W;h為換熱系數，W/(m2·℃);A為換熱面積，m2;tw為固體壁面的溫度，℃;tf為熱流體溫，℃。

當產品所處環境采用風冷，水冷方式進行散熱時需要考慮對流傳熱的影響。

物體由于具有溫度向外輻射電磁波的現象稱為熱輻射，任何溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射，向其他物體輻射熱量，也能吸收其他具有溫度的物體輻射的熱量?？筛鶕鶢柣舴蚨蓪ξ矬w輻射的熱流量進行計算[1,2,3]。

式中：ε為輻射率，取值范圍0～1;σ為玻爾茲曼常數，5.67×10-8W/(m2·K4);A為發熱體表面積，m2;T1為發熱體表面的溫度，℃;T2為分布在周圍的各物體的表面溫度，℃。

產品在工作過程中，由于內部功率器件產生熱量，熱量會通過熱輻射方式進行傳遞。

3 熱仿真方案

產品的結構如圖2所示，產品外形尺寸為=長×寬×高=24mm×22 mm×10 mm (本體尺寸)。產品內部為上、下二層電路結構，將功耗小的器件布設于第一層電路，將功耗大的器件布設于第二層電路。

圖2 產品結構圖  

產品表面散熱功率密度約為0.06W/cm2,結合用戶實際使用條件，采用自然散熱的熱設計。產品采用金屬氣密式封裝，上電路為產品輸入電路、下電路為產品輸出電路。為提高散熱效率，降低散熱通道熱阻，將功率大的器件焊接在貼近金屬底座的內表面的下電路板上，將功率小的器件排布于上電路板，上電路焊接在金屬引線上，功率器件的散熱模型采用典型的45°散熱模型，見圖3～圖5。

圖3 上電路板散熱模型 

圖4 下電路板散熱模型 

圖5 下電路板散熱模型  

4 熱仿真計算

使用建模軟件按照1:1比例建立的產品三維模型，將產品模型處理后進行仿真，產品三維模型見圖6。網格質量越高，仿真的準確度越高，為提高后續網格劃分的質量，提升仿真準確度。不改變產品整體結構的前提下，對產品特征進行簡化處理。對產品三維模型進行簡化，簡化后的仿真模型見圖7。

處理完模型后將簡化后的模型導入Icepak仿真軟件進行熱仿真計算，首先對模型進行網格劃分，需要多次調整網格，劃分網格后的網格外形與產品外形一致且網格質量系數滿足要求，以保證后續仿真的準確度。網格劃分效果見圖8。

圖6 產品三維模型   

圖7 簡化后的產品三維模型   

圖8 網格劃分效果圖   

完成網格劃分后需要設置發熱器件功耗、材料、導熱率、邊界條件、溫度、氣壓和重力方向等，完成參數設置后對產品進行仿真計算，計算出監測器件的溫升曲線以及各個零部件的溫度值。見圖9、圖10。

圖9 仿真溫度和時間關系曲線(環境溫度25℃) 

圖10 產品表面熱量分布云圖(環境溫度25℃)  

經過Icepak熱仿真計算，環境溫度為25℃,產品底板表面最終溫度約為66.3℃,產品罩殼表面溫度約為58℃。環境溫度為105℃,產品表面最終溫度約為111℃。

5 實測產品表面溫升

5.1 熱耦測試法

搭建線路測試產品溫升，施加和仿真同樣的功耗，使用熱耦電阻溫度傳感器測試產品外殼表面3個不同位置的高溫和室溫的溫升情況，見圖11。溫升測試結果見表1,室溫下(25℃)測試產品底板表面溫度由室溫上升至67.5℃達到穩定。105℃下測試產品底板表面溫度由室溫上升至113℃達到穩定。

圖11 熱耦電阻測試產品表面溫度 

室溫下(25℃)測試產品罩殼表面的最高溫度約為58℃。測試曲線見圖12。

圖12 測試曲線 

5.2 熱成像測試法

使用熱成像設備分析、測試對施加額定負載產品表面溫度和溫度變化情況。室溫下(25℃)熱成像設備測試產品(罩殼)表面最高溫度約為60℃。熱成像圖見圖13,產品溫度與時間關系曲線見圖14。

圖13 熱成像圖   

圖14 溫度隨時間變化曲線圖  

6 總結

(1)解決固體繼電器熱壽命驗證、試驗周期長問題。軟件仿真和實際測試結果相差2℃。詳細參數對比情況如表1所示，仿真的偏差低于產品實際溫升的5%,準確度較高，可應用于產品設計及方案優化。

(2)提升設計階段熱設計優化驗證效率。采用Icepak對固體繼電器進行熱仿真分析，通過器件、零部件材料導熱率，產品內部器件的功耗不僅可以計算出全部器件的溫升，通過后處理還可以得出各個元器件的熱量分布云圖?？梢灾庇^的體現產品熱危險區域，便于快速對產品進行熱設計優化。

(3)解決了理論計算只能對某個功率器件進行理論計算的問題。通過Icepak對固體繼電器進行熱仿真分析，可分析出產品所有元器件、零部件的熱計算結果，降低熱設計難度。

(4)使用Icepak對產品進行熱仿真分析后，優化產品結構，提升產品一次試驗通過率。減少實際驗證測試、改進次數和時間，縮短產品研制周期，從而節約研制成本，提升產品的附加值。

表1 實測和仿真結果對比

7 結束語

通過ANSYS Icepak軟件對產品進行熱分析，得出產品及元器件的溫度和溫度變化曲線。采用熱耦測試法和熱成像設備對產品表面和溫度變化曲線進行溫度實測，充分論證了熱仿真計算的精度滿足應用需求，可應用于產品設計階段，為產品熱設計提供理論指導。

參考文獻

[1] 謝德仁.電子設備熱設計.南京：東南大學出版社，1989.

[2] 邱成悌.電子設備結構設計原理.南京：東南大學出版社，2005.

[3] 趙惇殳.電子設備熱設計.北京：電子工業出版社，2009.

[4] 王永康.ANSYS Icepak電子散熱基礎教程.北京：國防工業出版社，2015.

文章來源：機電元件