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在仿真模型設(shè)定中，不考慮熱輻射，水冷板設(shè)定為固體，其材料參數(shù)考慮水流影響，IGBT的芯片硅材料需要考慮溫度對熱傳導系數(shù)的影響。

絕緣柵雙極性晶體管模塊（IGBT模塊）因其能夠承受高電壓、導通強電流，同時快速切換兩種模式，成為大功率系統(tǒng)的熱門選擇。 該模塊由多個安裝在銅底板頂部的IGBT芯片組成，底部配有散熱器。在模塊中，電流因電阻損耗而產(chǎn)生熱量，這也被稱為焦耳熱。雖然散熱器以相對恒定的速率散熱，但模塊的開關(guān)以及隨后電流密度和熱源的增減會導致模塊以循環(huán)的方式加熱和冷卻。

如下圖所示，不對稱結(jié)構(gòu)雙面散熱IGBT功率模塊的三維模型和單面散熱IGBT功率模塊的三維模型。利用ANSYS有限元軟件和傳熱理論對不同結(jié)構(gòu)的IGBT功率模塊進行了仿真分析，IGBT模塊在穩(wěn)態(tài)下運行的溫度場分布如下圖所示。總體而言，IGBT模塊的內(nèi)部溫度分布不均勻，因為IGBT模塊中材料的熱導率不同，并且受到熱耦合的影響，尤其是在芯片區(qū)域。

2 控制器穩(wěn)態(tài)熱分析先使用穩(wěn)態(tài)熱模塊導入已經(jīng)處理好的降階控制器模型，之后進行工程數(shù)據(jù)的修改，添加熱材料鋁、硅等并將其進行對應(yīng)匹配，外殼選用鋁，發(fā)熱器件選擇硅。接下來進行條件設(shè)置，設(shè)置初始溫度為20℃，添加內(nèi)部生成熱，選擇3個IGBT給定數(shù)值。2×10-5W/mm3，設(shè)置對流；再次添加內(nèi)部生成熱，選擇3個IGBT給定數(shù)值。

① 模型簡化：選取整個模型1/6，基板下側(cè)增加水冷盤管和水路；② 載荷：考慮芯片(每塊體積為25.35 mm^3)的產(chǎn)生的焦耳熱，總功耗均分到每個芯片中，施加體積熱源。案例最后可查看溫度分布和速度流線圖。 ③ 邊界條件：水側(cè)對流換熱，入口速度8m/s。

“芯片雙熱阻封裝的簡單強制對流換熱問題”仿真分析1、模擬條件本算例中建立了包括 1 個機箱、1 個 PCB 板、1 個雙熱阻封裝、1 個軸流風扇、1 個散熱器的簡單強迫對流換熱模型，目的在于雙熱阻封裝模塊的應(yīng)用，便于熟悉雙熱阻封裝模塊的設(shè)置。穩(wěn)態(tài)計算，不考慮輻射。軸流風扇固定流量為 2CFM，垂直出風。

“芯片雙熱阻封裝的簡單強制對流換熱問題”仿真分析1.模擬條件本算例中建立了包括 1 個機箱、1 個 PCB 板、1 個雙熱阻封裝、1 個軸流風扇、1 個散熱器的簡單強迫對流換熱模型，目的在于雙熱阻封裝模塊的應(yīng)用，便于熟悉雙熱阻封裝模塊的設(shè)置。穩(wěn)態(tài)計算，不考慮輻射。軸流風扇固定流量為 2CFM，垂直出風。

wx_fmt=jpeg&amp;from=appmsg" width="395"></p><p><strong>逆變器演示模型</strong></p><p><br></p><p><strong>PSIM和SimLab聯(lián)合仿真</strong></p><p><br></p><p>PSIM模塊用于搭建一維電路模型，計算芯片的熱功率。

（八）生成基于測試的簡化熱模型 熱學仿真模型的建立：一個可靠、標準的器件熱模型對于預測器件在各種散熱條件下的結(jié)溫，設(shè)計性能優(yōu)異的散熱模組至關(guān)重要。T3ster 利用熱瞬態(tài)測試法并結(jié)合結(jié)構(gòu)函數(shù)分析，能夠幫助用戶準確獲得熱阻容參數(shù)，不僅能建立穩(wěn)態(tài)熱學模型，還能很好地建立動態(tài)熱學模型（DCTMs）。用戶可以利用這些模型預測器件的穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)熱學行為 。

由圖中溫度分布可知，SiC 芯片一側(cè)的溫度大于 二極管一側(cè)的溫度，且呈軸對稱分布，這是由于模型載荷作用于 SiC 芯片上，且模型構(gòu) 建時只建立了整體模型的一半。距離芯片越遠處，溫度越低。由穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)最高溫度節(jié)點的編號為 155891 號節(jié)點，瞬態(tài)仿真基于最高溫度的節(jié)點進行。

這包括確定Jobname、?Title、?Unit，?進入PREP7前處理定義單元類型和設(shè)定單元選項，?定義單元實常數(shù)，?定義材料熱性能參數(shù)（?對于穩(wěn)態(tài)傳熱，?通常只需定義導熱系數(shù)）?，?以及創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。?

操作步驟 創(chuàng)建穩(wěn)態(tài)熱分析項目：Steady-State-Thermal；在穩(wěn)態(tài)分析項目之后，創(chuàng)建一個瞬態(tài)熱分析項目，并于穩(wěn)態(tài)熱分析項目連接；連接方式如圖所示： 導入幾何模型：導入PCB板的幾何模型X_T格式；切換單位制為：Metric（m,kg,N,s,V,A） 網(wǎng)格劃分：設(shè)置網(wǎng)格劃分方式為Multi Zone；設(shè)置Sizing：選擇初PCB板之外的其他

穩(wěn)態(tài)研究的質(zhì)量守恒結(jié)果。 我們還可以對同一模型進行穩(wěn)態(tài)分析。仿真的總時間被設(shè)定為 20 分鐘，在整個仿真時間內(nèi)，散熱器的底座承受了 1W 的熱通量。求解器的相對容差被設(shè)置為 0.001。仿真結(jié)果可以在下面的動畫中看到。我們將仿真時間設(shè)定為足夠長，以達到熱和流體流動的穩(wěn)定狀態(tài)。流體流線用速度模著色，繪制了邊界上的溫度。 下圖給出了瞬態(tài)分析的質(zhì)量守恒結(jié)果。

固體最小網(wǎng)格層數(shù)保證2-4層或以上（如翅片與IGBT芯片），流動縫隙最小網(wǎng)格3-6層或以上（如翅片間隙），來保證基礎(chǔ)及更精準的計算結(jié)果。最終生成的網(wǎng)格質(zhì)量良好（如圖7）。

基于PCB板+IGBT模塊+散熱器總成精細化熱-固耦合仿真模型，精準復現(xiàn)整機由于各層結(jié)構(gòu)CTE不同導致的“呼吸效應(yīng)”熱變形首先通過構(gòu)建PCB板+IGBT模塊+散熱器熱-固耦合模型，精準復現(xiàn)因CTE差異導致的“呼吸效應(yīng)”熱變形，定位溫度循環(huán)動載荷致Pin針焊層疲勞失效的原因；通過Creo參數(shù)化建模并與Ansys Workbench聯(lián)合，結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化Pin針結(jié)構(gòu)參數(shù)，尋優(yōu)時間縮至24h內(nèi)

本案例適合哪些人學習：1、學習型仿真工程師2、理工科院校學生你會得到什么：1、學習芯片的三維模型處理2、學習芯片穩(wěn)態(tài)散熱分析步的建立3、學習芯片穩(wěn)態(tài)散熱分析的載荷施加4、學習芯片穩(wěn)態(tài)散熱的施加案例介紹：所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.案例介紹了ANSYS workbench 芯片穩(wěn)態(tài)散熱分析分析。

具體流程是：首先，我們在電磁模塊中對芯片進行仿真，精確計算出損耗的分布；然后，將這個損耗分布作為熱源，無縫耦合傳遞給溫度場進行熱仿真，得到精確的溫度分布；最后，再將整個溫度場的數(shù)據(jù)完整地耦合傳遞給結(jié)構(gòu)場，計算模塊在不同溫度梯度下產(chǎn)生的熱應(yīng)力與變形。這套電-熱-力無縫耦合的工作流程，極大地提升了對IGBT模塊真實工作過程模擬的精準度。

控制合適的網(wǎng)格尺寸，為計算熱傳導過程，需對IGBT、整流橋、線圈盤等發(fā)熱元件設(shè)置固體計算域，因此空氣與各發(fā)熱元件的對流換熱過程可采用流固耦合模型進行計算。圖2 電磁爐內(nèi)部計算域網(wǎng)格2.3 流體控制方程仿真模型基于RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes）方程。

它顯示了三個平行的電流路徑，每個路徑都有一個 IGBT 芯片（方形）和一個并聯(lián)二極管芯片（矩形） 在高側(cè)和低側(cè)。圖 3 中的側(cè)視圖顯示了與熱設(shè)計相關(guān)的布局的分層結(jié)構(gòu)。 IGBT 和二極管管芯焊接到 DBC 層上。 IGBT 和二極管管芯的端子在它們自己和斷開的 DBC 層之間適當?shù)剡B接，使用引線鍵合來實現(xiàn) H 橋部分。

一、模型搭建新建→模型向?qū)Аx擇三維； 選擇物理場：傳熱→固體傳熱，按增加→研究，選擇研究：預置研究→穩(wěn)態(tài)→完成；導入相應(yīng)的二維或三維模型，或者直接在 COMSOL 里自建幾何模型；導入：頂部工具欄：導入，選中幾何 1→選擇單位→導入，最后形成聯(lián)合體→全部構(gòu)建； 可在右側(cè)框內(nèi)搜索要添加的材料，然后“增加到選擇”；或者添加空材料，去選擇一個域，然后材料屬性目錄下會出現(xiàn)做該仿真必要的參數(shù)