晶體管的穩(wěn)態(tài)熱分析

例題2晶體管的穩(wěn)態(tài)熱分析W2-2問題基本描述:晶體管放置在銅隔熱器上，該隔熱器放置在鋁制散熱器上。晶體管產(chǎn)生熱量，而且系統(tǒng)接收附近部件的輻射能。整個系統(tǒng)采用風冷。設計要求:整個系統(tǒng)熱平衡時溫度不超過100°C.TransistorAluminumheatsinkCopperisolatorplaneofsymmetry本例的命令流文件在附錄C中。W2-3晶體管穩(wěn)態(tài)熱分析總體分析目標:對于本例,假設穩(wěn)態(tài)功率為20瓦，完成下列要求：1. 求出系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下溫度場的分布。2. 找出系統(tǒng)最高溫度點的位置和最高溫度數(shù)值。3.判斷是否有區(qū)域溫度超過設計要求，如有，找出其位置。W2-4晶體管穩(wěn)態(tài)熱分析假設一個平面鏡象對稱。使用SI單位。(kg,m,s,W,J)環(huán)境的輻射作為等效均勻熱流建模。忽略組件接口的接觸熱阻。各向同性的晶體管材料。均勻晶體管熱生成。前面和背面無熱傳遞;(無軸向溫度梯度)。對流由均勻換熱系數(shù)和常數(shù)的介質溫度建模。深度為0.025m所有單位為米。尺寸:W2-5

晶體管穩(wěn)態(tài)熱分析其他設備輻射的等效熱流:q*=1500W/m2冷卻葉片高速的強制對流:

h=51W/m2°CT=50°C晶體管熱耗散:

20W-高功率熱載荷SymmetryPlaneW2-6前處理說明詳細的前處理說明:1. 將菜單過濾為Thermal(KEYW)2. 指定文件名為“wkshop2”(/FILNAM)標題為”Workshop2-FullPowerTransistorAnalysis-Steady-State”(/TITLE).3. 定義兩個單元類型(ET):

類型1:PLANE77.設置關鍵選項為連續(xù)的比熱矩陣，平面行為

類型2:SURF151.設置關鍵選項為平面行為，包括中間結點，附加結點，附加結點為流體溫度，在平均溫度的h,包括輻射。PLANE77可以建立兩次溫度分布模型。對于曲線模型類似熱沉的圓角等比較理想。W2-7前處理說明詳細前處理說明:4. 定義線性材料特性。(MP)

比熱和密度在此處輸入。盡管他們在穩(wěn)態(tài)分析中不需要，在后面第4章的瞬態(tài)分析中是必須的。(見下面表格)。W2-8前處理5.建立模型。

a.生成六個獨立的矩形,然后粘接在一起。使用Create>>Rectangle>>ByDimensions并輸入矩形尺寸。(RECT)

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

詳細的前處理說明(續(xù)):W2-9前處理5.b.生成圓角。

使用Create>>LineFillet,然后選擇相交的線并輸入半徑(0.0025)。(LFILLT)

然后使用Create>>Areas>>Arbitrary>>ByLines選擇邊界線生成面。(AL)詳細的前處理說明(續(xù)):W2-10前處理詳細的前處理說明(續(xù)):5.c.加所有熱沉面,包括圓角面,生成一個大面(AADD)。

(注:將面加在一起會得到更加均勻的單元尺寸和更好的單元形狀)。

加后:加前:W2-11前處理詳細的前處理說明(續(xù)):6. a.每個面的屬性對齊

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

b.設置SmartSize級別=3

使用MeshTool>>SmartSize

(SMRT)

c.劃分面。

使用MeshTool指定劃分:Areas,Shape:Quad,Mesher:Free(AMESH)

W2-12Preprocessing7.a.盡管不是必要，帶附加結點的平面效果單元選項用來簡化對流熱損失計算。要生成他們:選擇對流面上的結點和相連的單元。選擇外部線。然后重新選擇施加對流載荷的線(LSEL)。使用SelectNodes>>Attachedto>>Lines,all(NSLL)。然后使用SelectElements>>Attachedto>>Nodes(ESLN)。單元結果繪圖:

詳細的前處理說明(續(xù)):W2-13前處理7. b.生成“附加”結點。

使用Create>>Node>>InActiveCsys>>并指定結點號5000(N)。位置可選;建議x=0,y=-0.01,z=0。 c.定義缺省網(wǎng)格屬性為SURF151。使用MeshTool或Attributes>>Define>>DefaultAttributes。(TYPE,MAT,REAL) d.生成平面效果單元。(ESURF) 使用Create>>Elements>>SurfEffect>>ExtraNode(ESURF)平面效果單元繪圖:詳細的前處理說明(續(xù)):W2-14前處理詳細的前處理說明(續(xù)):8. 選擇所有模型實體，并存儲數(shù)據(jù)庫為wkshop2.db。(SAVE)9.使用File>>SaveAs>>transistor.db生成數(shù)據(jù)庫的另一個備份，可以在后面的例題中調入。重要:確認步驟9完成，因為下面的例題要用到。W2-15求解器詳細說明-求解器10.進入求解器并指定穩(wěn)態(tài)分析(ANTYPE)。11.在晶體管面上直接施加全功率熱生成率(BFA):12.在線上施加等效輻射熱流(SFL)。13.在平面效果單元上施加對流載荷。介質溫度空白(SFE)。14.附加結點溫度為50°C(D)。15.使用標記查看所有施加的載荷(/PBC,/PSF,/PBF)。16.選擇所有實體并存儲數(shù)據(jù)庫為wkshop2.db。17. 進行求解(SOLVE)。確認結束或查看出錯文件W2-16后處理18.進入通用后處理器并繪制系統(tǒng)溫度分布(/POST1,PLNSOL)

使用選擇方法選擇所有類型1,PLANE77,單元和結點進行后處理。然后使用PlotResults>>NodalSolution>>DOFsolution>>Temperature。詳細說明-后處理(續(xù)...)W2-17后處理19.找出系統(tǒng)最大溫度位置和數(shù)值。用結點排序尋找最大溫度點。使用:ListResults>>SortNodes>>DOF Solution>>Temperature.(NSORT)ListResults>>Nodal Solution>>Temperature.(PRNSOL)UnsortResults.(NUSORT)詳細說明-后處理(續(xù)...)W2-18后處理19.續(xù)

另外，使用繪圖定位結點并繪制結點溫度數(shù)值: 關閉PowerGraphics(/GRAPHICS,FULL) QueryResults>>NodalSolution>>DOFsolution20.找出系統(tǒng)的對流熱損失。因為熱損失只在對流中產(chǎn)生，我們可以使用響應熱流速率。Hint:SelectEverything(ALLSEL) ListResults>>ReactionSolution>>HeatFlow(PRRSOL) 在此出結果:我們將使用這個結果與手工計算相比較。

詳細說明-后處理(續(xù)...)W2-19后處理21.顯示溫度為或超過100°C的模型區(qū)域。使用SelectNodes>>ByResults>>DOFSolution>>Temp并輸入數(shù)值范圍。(NSEL)選擇與結點相連的單元，然后繪制溫度解。(PLNSOL)

詳細說明-后處理(續(xù)...)W2-20后處理22.生成熱流向量圖.(PLVECT)使用PlotResults>>VectorPlot>>Predefined>>ThermalFlux，由于模型有多種材料，使用

elementcentroid為向量解位置。23.生成溫度梯度向量圖(PLVECT)使用PlotResults>>VectorPlot>>Predefined>>ThermalFlux，由于模型有多種材料，使用

elementcentroid為向量解位置。詳細說明-后處理(續(xù)...)W2-21后處理24.生成擴展結果圖:溫度云圖。擴展結果圖允許繪制對稱平面上的結果。選擇所有PLANE77單元。PlotControls>>Style>>SymmetryExpansion>>Periodic/Cyclic(/EXPAND)并輸入對稱面。然后重化結果。(PLNSOL)詳細說明-后處理(續(xù)...)W2-22 25.進行手工計算校核:熱從熱源和熱流載荷流入模型并通過對流面流出模型。要確認施加了正確的載荷，就計算模型在高功率的穩(wěn)態(tài)響應熱流速率。使用該數(shù)值與平面效果單元介質流體節(jié)點(節(jié)點號碼為5000)的響應熱流速率相比較。記住模型是對稱的并有單位深度(實際深度的40倍),因此熱流速率比實際的晶體管要大很多(20倍)Answer:-445WW2-23Answer:97.17degreesC0使用本方程假設對流熱阻是主要的。這比較合適于Biot數(shù)<0.1