Flotherm

Flotherm（通用4篇）

Flotherm 篇1

电磁感应加热相对于传统的明火加热和利用电阻的热效应加热具有高效、节能、环保、安全的优点。电磁感应加热自投入应用以来,在锻造、热处理、熔炼、电磁炉等方面得到了广泛的应用。随着电力半导体器件的发展,感应加热装置本身也发生了重大的变化,感应加热电源向着高频化、大容量化的方向发展。在机箱结构越来越紧凑的电磁感应加热系统中,散热是影响系统稳定运行的重要因素之一,散热系统的设计也是整个系统的设计中的重要部分。对15 k W电磁感应加热系统中功率电路散热系统进行了设计,并用热仿真软件Flotherm对设计进行了验证分析。散热系统的设计分为以下几个部分:热损耗的计算,散热方式的确定,散热器与风机的选择,热仿真分析验证。

1 热损耗的计算与设计方案

1.1 热损耗的计算

电磁感应加热功率电路由整流和逆变两部分组成,三相整流模块和逆变用的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是系统中的两个主要热源。

IGBT发热是因为IGBT不是一个理想的开关器件,IGBT除了在导通时有饱和压降,产生了通态损耗外,同时由于IGBT在开通和关断的瞬间电流和电压有重叠,产生了开通和关断损耗。IGBT的反并联续流二极管FWD也存在这两方面的损耗。反并联续流二极管FWD在正向导通时有正向导通压降Vf,同时在反向恢复时有反向恢复能耗Erec,Vf造成了导通损耗,Erec造成了开关损耗。IGBT的通态损耗可以用式(1)表示。

式(1)中:VCE(sat)为IGBT的饱和压降;Ic为IGBT的集电极电流;D为占空比。

IGBT的开关损耗可以用下式表示:

式中:fsw为开关频率;Psw(on)IGBT开通一次损失的能量;Psw(off)IGBT关断一次损失的能量。

则IGBT的总损耗Pigbt为通态损耗与开关损耗的和表示为:

与IGBT反并联的续流二极管的损耗也有类似的表示。由于VCE(sat),Ic没有精确的表达式,也就无法精确的计算IGBT的损耗,一般将IGBT数据手册中提供的VCE与Ic的曲线用直线近似来计算IGBT的通态损耗[1],其余损耗的计算也与之类似。但这种功耗的计算繁锁且准确度无法估计,本文采用Powersim公司的PSIM软件中的功耗计算模块对系统功耗进行估算。

PSIM软件是电力电子与电机控制领域的专用仿真软件,PSIM具有仿真速度快,用户界面友好,波形解析功能强,为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。电磁感应加热系统中用到的IGBT是GF150HF120T2VH。在PSIM仿真环境中先将器件手册中的参数录入对器件进行建模,再在PSIM中搭建电磁感应加热系统功率电路的模型,这样可以实现在系统中对器件的功耗进行实时估算。

IGBT损耗估算中用到IGBT参数有VCE(sat)-Ic(IGBT饱和压降与集电极电流)曲线,Eon-Ic(IGBT开通损耗与集电极电流)曲线,Eoff-Ic(IGBT关断损耗与集电极电流)曲线,Vf-If(并联二极管导通压降与电流)曲线等。

在PSIM软件中建立的电磁感应加热主功率电路仿真模型如下图所示。仿真中逆变电路为半桥电路,串联谐振槽路的参数为L=120μH,C=0.8μF,380 V三相交流输入,输出功率为15 k W,开关频率为16 k Hz。

在仿真中对电路中的三相二极管整流模块和IGBT逆变半桥的功耗进行了估算,IGBT和二极管整流模块的功耗估算结果如图2。

由于二极管整流的纹波,功耗在估算中也存在波动,对其求平均值,仿真估算得到IGBT半桥逆变模块的功耗为227 W,二极管整流模块的功耗为74 W。

1.2 散热器的设计

电力电子装置常用的散热器有自冷式散热器,强迫风冷式散热器,热管散热器,水冷式散热器等。自冷式散热器结构简单,无需加装风机,但空气对流比较差,因此这种散热器一般用在热量较低的场合。强迫风冷散热器加装风机后,散热效果好,使用寿命长。但噪音大。热管通过封闭真空管内液体蒸发与凝结来传递热量,有着良好的制冷效果。水冷散热器散热效率高,但结构复杂,维护起来比较困难。综合这些散热方式的优缺点和散热设计要求后,选用强迫风冷式散热器。

散热器内部的热量主要通过对流进行耗散,散热器由基板和翼片构成,散热器基板的厚度是影响散热器效率的重要因素之一。散热器基板的厚度与散热功率之间有如式(6)的经验关系[2]。

式(6)中:a(mm)为基板厚度(最小值为2 mm);P(W)为散热功率。

本次设计中估算得到的散热功率P=301 W,通过式(6)可以得到散热器基板的厚度为a=11.35 mm。散热器翼片的间距是决定流过其表面空气换热系数的重要因素,对于强迫风冷,翼片间距可以根据空气流速的大小来调整翼片间距,选取翼片间距为5 mm,根据机箱中预留散热器的空间,散热器的空间尺寸为370 mm×203 mm×62 mm,因此选取翼高50 mm,散热器的宽度203 mm,翼片厚度取1.5 mm,因此选取翼片数为37。

1.3 风机的选择

风机可以分为离心式风机和轴流式风机。离心式风机风压较高,一般用于阻力较大发热元器件或机柜的冷却。轴流式风机的特点是风量大、风压小。选择风机时应考虑的因素包括:风量、风压、效率、空气流速、风道阻力等。风压和风量是主要参数。对于所选风机的风量或风压不能满足要求时,可考虑通风机的串联或并联方式。当通风机的风量能满足要求时,而风压不足时,可采取风机串联的工作方式。相反,若风机的风压满足要求,而风量不足时,可采取风机并联的工作方式[3]。空气吸收的热量可以用式(7)计算。

式(7)中:Q为空气吸收的热量(W);qm为空气的质量流量(kg/s);cp为空气的定压比热(J/kg·℃);Δt为空气的温升(℃)。

空气的流量可以用式(8)计算。

式(8)中:qv为空气的体积流量(m3/s);ρ为空气的密度(kg/m3)。

因此散热所需的风量可以表示为:

空气的定压比热为cp=1 030 J/(kg·℃),空气密度为ρ=1.05 kg/m3,Δt=15℃,Q=301 W,求得qv=0.018 m3/s,考虑1.5倍的裕量,qv=60CFM,设计中选择的风机风压为105 Pa,风量为31.5 CFM。因此采用两风机并联的工作方式。

1.4 仿真结果

仿真用的Flotherm热仿真软件是英国Mentor Graphics公司开发的电子系统散热仿真分析软件。它采用了CFD(computation fluid dynamic计算流体动力学)和数值传热仿真技术并成功的结合了电子设备传热方面的大量经验和数据库开发而成,Flotherm可以实现从元器件级到环境级系统的仿真。

仿真建模中设置环境温度25℃,标准大气压,热传递系数6 W/(m2·K),散热器材料选用Aluminum—6061,IGBT热源尺寸为63 mm×106 mm×5mm,功耗227W,整流桥热源尺寸40 mm×80 mm×5 mm,功耗74 W,两风机的风量为32CFM,并联工作。

仿真结果如图3所示,结果表明,IGBT的结温为64.4℃整流桥的结温为59℃,散热器基板的最高温度为53.9℃。

3 实验

实验验证:对电磁感应加热控制主机,进行热测试,实验主机如图4所示,在机箱封闭情况下,在环境温度为25℃,主机工作在15 k W,环境温度为20℃,主机工作在10 k W两种工况下,分别进行实验。实验时开机至各点温度不再变化,测得IGBT底板、整流桥底板和散热器基板的温度数据如表1所示。

与其对应的仿真数据如表2所示。

通过对比实验数据与仿真数据,验证了Flotherm软件在电力电子设备散热设计中的可靠性和优势。

4 结论

可靠良好的散热系统保证了电力电子设备的稳定运行,由于散热系统的设计涉及电力电子器件,传热学,流体力学等学科,加大了散热系统设计的难度,热分析软件给热设计提供了一条方便可靠的设计途径,克服了以往根据工程经验设计散热系统的弊端。缩短了研发周期,提高了产品的可靠性与市场竞争力。本文以热仿真和实验为基础对电磁感应加热装置中散热系统进行了设计,实验结果验证了这种设计流程的合理性与可靠性。

摘要：电磁感应加热在锻造、热处理、熔炼等方面得到了广泛的应用,在大功率电磁感应加热系统中,散热是影响系统稳定运行的重要因素之一。对此在分析电磁感应加热系统中的热源与热损耗的基础上,运用仿真的方法对系统中的热损耗进行了估算。在对散热系统中的散热器和风机进行了设计之后,结合热损耗的估算结果,用热仿真软件Flotherm对散热系统进行了仿真。最后通过实验验证了这种设计方法的可行性。

关键词：电磁感应加热,热设计,热仿真

参考文献

[1] 张明元,沈建清,李卫超,等.一种快速IGBT损耗计算方法.船电技术,2009;29(1):33—36Zhang Mingyuan,Shen Jianqing,Li Weichao,et al.Calculation method of a fast power loss for IGBT modules.Marine Electric&Electronic Technology,2009;29(1):33—36

[2] 程翔,史雪辉基于Flotherm的散热器的优化设计.电子机械与微波结构工艺学术会议.南昌:电子机械工程,2008:236—239Cheng Xiang,Shi Xuehui.Optimization design of heatsinks based on flotherm.Electronic machinery and Microwave Technology Conference.NanChang:Electro-Mechanical Engi-neering,2008:236 —239

[3] 赵惇殳.电子设备热设计.北京:电子工业出版社,2009:95Zhao Dunshu.Thermal design of electronic equipment.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2009:95

Flotherm 篇2

电子技术不断发展,大功率器件发热功耗越来越大,热流密度不断增加[1]。采用有效的散热设计可以控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行时标准及规范所规定的最高温度,以保证产品正常运行的安全性,长期运行的可靠性。

Flotherm是目前较流行的专业的、面向工程师的电子产品热仿真软件之一,利用它可大大减少计算量,缩短研发周期,降低成本。介绍基于Flotherm9.1的一种车载充电设备的自然冷却散热设计仿真分析。与其他电子设备相比,该设备功耗大,元器件布局密集,工作环境比较苛刻。

1 Flotherm

Flotherm软件是由英国FLOMERICS软件公司开发的电子系统散热仿真分析软件,广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用[2]。Flotherm可以进行芯片和器件封装级、板级和模块级、机箱机柜等系统级、机房外太空等大环境级的热分析和热仿真设计。

该软件有如下技术特点:

(1)MCAD与EDA接口:可兼容Pro/ENGINEER、SolidWorks、CATIA以及其他主流MCAD软件数据,支持模型的导入和导出。EDA接口不但支持EDA软件的IDF格式、PCB板模型导入,还可直接接口读入BoardStation,Allegro和CR5000。

(2)正交网格技术:局域化网格功能可在需要时进一步细化网格,将求解时间缩至最短。

(3)自动优化:基于SmartParts的建模和结构化正交网格使FloTHERM模型可采用自动序贯优化技术。

(4)专业稳定的求解器:求解器基于正交网格系统,运算结果精准,单位网格之运算速度全球最快。针对大面积的不规则模型,FloTHERM采用局域化网格技术。该技术能够对不同求解域的元件之间生成相互匹配、嵌套和非连续网格界面。针对电子系统内部的热耦合特性,FloTHERM采用了先决耦合残差算法和灵活多重网格循环技术来处理这个问题。

(5)强大的可视化工具:完全逼真的模型、三维流动动画、速度矢量图、等值面图、粒子轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图等都可以很直观地体现。另外还提供一个免费的后处理阅读器(FloVIZ阅读器),可在没有安装Flotherm的机器上观看仿真的结果。

2 热设计输入

该充电设备由上、下两部分扣合组成一个IP65的密闭结构。为了满足设备导热性能、轻量化、强度和刚度要求,设备机箱采用6061-T6铝合金材质,通过整体铝块CNC加工而成。考虑到辐射散热,整机外表面进行黑色阳极氧化处理,表面辐射系数大于0.85。主要功耗器件都直接安装在机箱上,大功耗器件做灌封工艺处理,主要以热传导方式散热。

设计输入及要求:

(1)极限工作环境温度为60℃,无风扇自然散热。

(2)器件温升要求不大于55℃。

(3)充电设备在满载工作模式下,热损耗约为110.9W,具体见表1。

注:损耗值均为单个器件损耗,同型号的器件损耗值一样。

3 充电设备的结构布局

设备整机结构件选用6061-T6铝合金,此材料具有加工性能佳、抗腐蚀性好、韧性高及加工后不变形、上色膜容易、氧化效果佳等优良特点,是机加产品的首选材料。其结构布局如图1所示。

该充电设备损耗较大,而且又为自然冷却,针对主要发热器件采取的散热路径为:所有发热器件都直接紧贴机壳安装,对于器件B、器件F、器件G三类损耗比较大的器件采用灌胶处理(硅胶导热系数在0.8以上)。

4 热仿真分析及结果

仿真的环境温度设为60℃,设备环境表面发黑处理(表面发射系数取0.85),由此确定求解条件,考虑传导和热辐射换热。

模型建立好之后,要进行网格划分。Flotherm的网格划分有系统网格和局部网格两种,系统网格自由划分,分为none、coarse、middle、fine4种;局部网格由用户自定义划分。Flotherm软件网格划分疏密会直接影响计算的结果,过密集会导致计算时间过长,过稀疏会影响计算精度。一般定义为middle,软件会根据模型的情况自动设置最小和最大网格单元尺寸。对于一些电子设备,大功率器件比较集中的区域还可以进行局部网格加密处理。对于此电源设备,根据模型实际情况,选定中等网格,对密集大功耗器件进行网格加密处理。其生成网格单元数为1312231个,如图2所示。

Flotherm分析结果可以通过视图形式输出,图3为软件求解之后得到的温度分布云图。由此可以直观了解各器件及机箱内部温度分布情况:图3(a)为设备整体温度分布云图;图3(b)、(c)为设备下箱体部分器件温度分布云图;图3(d)、(f)为设备上箱体部分器件温度分布云图。

主要功耗器件温度如表2所示。

从表2可以看出,该车载充电设备在极限温度60℃的情况下,器件的温升均小于55℃,满足设计输入要求。

5 结语

根据热仿真计算结果,该车载充电设备所设计的散热途径可以满足使用要求。所有主要发热器件均安装在机箱上,对于部分功耗大的器件采用灌封工艺处理,把整个机箱作为散热器。

利用热分析软件Flotherm建模模拟仿真分析,能得到直观的温度分布云图。根据分析结果,可以为设备结构设计、元器件布置和安装提供参考依据,有效降低产品设计成本,缩短研发周期。

参考文献

[1]余建祖.电子设备热设计及分析技术(第2版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008

Flotherm 篇3

由于现有油田正在枯竭,较容易勘探的油气井都已经处在开发后期,如今世界上许多地区如北海、墨西哥和中国等均不同程度地面临超高温环境下油气勘探和测井作业[1]。据调查,深井环境中,测井仪器的温升主要取决于两个因素:外部环境热对流和内部元器件因功耗而产生的热耗散[2]。国内外在测井仪器上较多使用的保温瓶隔离来自深井的热量,保温瓶内的仪器处于密封环境,虽然存在吸热剂,但由于瓶内器件的热耗散导致瓶内的温度分布不均匀,因此如何保证电子系统在高温环境下的正常工作是系统设计必须考虑的问题。目前高温电路的实现方法可以分为传统法(基于PCB的方法)、混合电路法和ASIC(专用功能集成电路)法[3]。其中,传统法以其开发周期短,开发费用低,且最高适用温度符合我国测井温度环境,通常最高不超过150℃[4]的实际情况等显著特点,本文选择它来实现高温电路的设计。基于PCB法的传统设计主要在于高温器件的选择、电路结构的优化,以及低功耗的设计等途径来实现。而目前在高温电子器件的选择方面,业界基本上已经形成了定论,本文的重点在于优化电路结构和低功耗设计两方面。在设计初期,本文采用Flotherm热分析软件对电路结构和功耗进行了综合考虑及整体设计,节约了时间与成本,实现了高温电路的设计。

1 Flotherm建模与验证

本文所利用的Flotherm软件拥有全球85%以上的电子产品制造商客户,它是电子设备热仿真分析软件之一。应用Flotherm热分析软件对电子设备进行热分析计算的过程是建立分析对象中几何模型和输入模型的参数,设定环境条件与边界条件,划分网格,进行前处理,解算及后处理等。本文的研究背景为光纤测井电路系统,主要研究对象为放置在保温瓶内的光纤测井电路板。在对电路板进行建模之前,首先要确定电路板的主要热源。为了确保热源的选定无误,本文先用红外热像仪对电路板在一定温度下进行红外测试,从而可得到确定整个电路板的热源,为热分析建模奠定了可靠的基础。

1.1 红外热像仪测试热源节点

通过外部端子给PCB施加适当的电源和激励信号后,PCB上的每个器件都会有一定的工作温度,用红外热像仪对PCB的元件进行扫描,即可获得PCB表面的温度分布图[5]。因此将电路板放置在恒温60℃的温箱内工作4 h后,用红外热扫描仪测试电路板的表面温度,由此可得其表面温度场分布如图1所示。

由图1中红外测试温度场分布得知,电路板的热源主要为顶层的运放、箝位、AD、FPGA、电压转换、光模块以及底层的电源芯片和电压转换芯片(热源按图1电路板中从左到右排列)。

1.2 建立模型并验证

1.2.1 建模

对电路板进行建模和仿真分析是电路板级的热分析研究过程,在电路板级的热仿真研究中,建立分析对象的热模型可从印刷电路板和主要发热元器件的建模来考虑。光纤测井电路板的几何尺寸为(长×宽×高)145 mm×50 mm×2 mm,板材结构采用0.32 mm厚、介电常数为4.8的FR4材料,重力方向为沿电路板切线方向向下。建立好的电路板顶层和底层的三维热模型效果如图2所示。其中,印制电路板(PCB)绝缘体材料(如FR4)和铜经过加热和加压制作而成,纯FR4的传导率为0.35 W/(m·K),纯铜的传导率为388 W/(m·K)[6]。由于铜一般以铜线、焊盘和过孔等复杂的分布形式存在,所以不可能对其进行详细的建模。本文将电路板进行细分,根据实际的电路板上铜线分布的疏密情形将电路板划分为较小的子块,分别赋予不同的导热率系数。当印制电路板模型建立后,需建立板上分布元器件模型,用以分析元器件的稳态温度值、热点分布以及散热条件等。根据上一节中红外测试所确定的主要热源,建立热源模型,其余均用块状热源代替,且功耗很小的一般器件(如贴片电阻等)采用在电路板上均分的方式来处理,这样即保证了分析的精确性,同时也可获得主要器件在正常工作下的热状态。需要注意的是,材质与热耗的确定是建立元器件模型过程的关键部分。材质由元器件的封装形式并根据具体建模的方式确定;热耗一般可由元器件的功耗来近似代替。实际中准确确定PCB元件的功耗是一个重复迭代的过程。首先猜测元器件的工作环境温度或从初步热分析中得出估计值,并将其功耗输入到热模型中,计算PCB和相关元器件热点的温度,然后使用新温度重新计算元件功耗,算出的功耗再作为下一步热分析过程的输入,该过程一直进行下去直到其数值不再改变为止[7]。

1.2.2 边界环境参数

由于电路板被放在密封环境中,因此电路板的热设计应主要从传导和辐射方面来考虑。在Flotherm操作界面,设置电路板的工作环境温度,在自然散热状态下,流体速度估计值为0.2 m/s,激活辐射特性并设置模型中参与辐射散热器件的发射率,停滞空气的导热率为5 W/(m2·℃)。求解域大小为180 mm×60 mm×75 mm,既满足了求解域大小(求解域尺寸大于求解对象的几何尺寸)的要求,同时也可分析电路板周围的温度分布云图。

1.2.3 模型验证

稳态仿真是通过对主要元器件设置温度检测点,记录元器件的稳态温度值,主要分析研究电路板上的热点分布问题。设定仿真环境为60℃,即可得到电路板的仿真温度状态分布图,如图3所示。将仿真所得电路板表面温度值与前面红外测试所得结果相比较,即可验证模型建立方法的正确性与模型参数输入的精确性。表1为60℃时2种方法的结果统计。

由图3可见,电路板在60℃时仿真与热扫描的温度场分布状态(如图1所示)基本一致。另外,从表2中可知,仿真结果与测试结果之间存在误差,其原因有在仿真建模时,元器件功耗的准确测定是比较困难的,根据厂商提供的部分数据进行估计是造成数据产生偏差的原因;模型参数输入时,如界面热阻、边界换热系数等无法确定的因素,均采用经验值来代替;红外热像仪是非接触式测温仪,测量结果与被测目标的表面状况有关,造成数据上的偏差;主要热源分布在电路板顶层居多,进行红外测试时先测试发热器件较多的顶层之后才会测量电路板底层,因此测试时存在着时间差,造成底层节点D7和D8偏差较大。

据表2统计数据所示,仿真结果大于测试结果,且偏差值在10%之内,满足软件对偏差的要求[8],因此也可以说明所建立的仿真模型以及建模方法是正确的。

2 Flotherm对电路功耗的确定及结构的优化设计

2.1 功耗确定

测井通用保温瓶性能为:175℃环境下工作4 h后温升50~61℃(无热源情况下)[9],加上其初始温度的20~24℃,则保温瓶内无热源情况下内部温度为70~89℃。虽然目前器件的军品级已经达到了125℃,而光纤测井电路系统中的关键器件:光模块的工作温度上限仅为85℃,如果保温瓶内温度超过85℃,则可能对器件的性能产生严重的影响,甚至导致系统瘫痪。因此可设定保温瓶内无热源的状态下温度为77.5℃(取平均值),则该电路板工作在密封环境下由于器件热耗散引起的温升最高不能超过7.5℃。当电路板产生7.5℃的温升时,此时电路板的功耗为其极限值。通过Flotherm分析可得,电路板的最大功耗值为3.4 W。

需要说明的是,得出的最大极限值功耗是留有余量的。据调查,保温瓶口吸热剂一般能够吸收的热量为82.566 kJ,而保温瓶容器的总漏热为80.064 kJ[10],剩余可吸收热量为2.502 kJ,而该剩余热量可用于吸收0.174 W的热功耗引起的热量。该值的确定没有考虑额外添加吸热剂情况,可进一步节约成本。

2.2 高温建模

根据正确的模型,首先建立85℃环境,可得到电路板在85℃环境下的温度场分布如图4所示,其中电路板功耗为3.4 W。然后建立仿真环境为密封状态,密封空间温度为77.5℃,外界环境温度为175℃,其中电路板总功耗为3.2W,如图5所示。

从上面图组中可以清晰的看到:

(1)85℃环境下,总功耗值等于最大允许值,但是电路板顶层表面温度场大致呈现出两边高中间低的分布状态,中间温度分布较均匀,D1、D5点超出了器件本身所允许温度;电路板底层虽然热源较少,但底层平均温度却高达75℃;

(2)密封77.5℃状态下,电路板功耗值满足最大允许值,但是D1点温度接近其最大工作温度值,会对器件性能产生严重影响。电路板顶层表面上半边温度平均高出下半边温度8℃左右;电路板底层上功耗较大且发热较高的D7节点的位置靠近电路板边缘。

(3)电路板发热较大的热点为:D1,D5,D7,D8。可优化的设计方案为:将发热器件均放置在电路板的顶层,以便能够充分利用电路板空旷面积使温度场分布均匀,PCB设计时可在热源下面多设通孔引导其所耗散的热量顺利的散到电路板底层空间;根据热阻大散热差的特性,针对电路板发热较大的热源节点,考虑该器件的不同封装形式,甚至可以考虑更换功耗低、散热好的器件来代替,从而改善散热效果;发热较大的热源远离电路板边缘且相互间保持一定间距,发热器件错开排列,以便散热。将器件按耐热程度沿电路板从右至左排列。

2.3 电路结构优化方案及结果分析

如表2优化后的主要热源节点信息结构所示,节点D1′代替了D1,D1′的低热阻SO-8封装和大尺寸的特点能够很好的解决原有D1节点散热性能不好的问题;节点D4′代替了D4,虽然D4′的功耗大于D4,尺寸小于D4,但是D4′的使用能够将原有板上发热较大的D5,D8省去不用,而D5,D8由于其尺寸小、热阻大不利于散热再加上其功能的独特性等缺点,使得D4′的应用起到了很好的效果;节点D7′代替了D7,D7′的应用优点同D1′的应用。最终最终优化结果如图6~图8所示。

最终的优化可以很好地改善原有电路板热源散热状况以及温度场分布,最终功耗优化为3.2 W(模拟保温瓶环境),既满足了功耗要求,降低了整个电路板的温升,同时其温度场分布也较均匀。

3 结语

本文首先对电路板进行了初步的热仿真分析,验证所建模型的正确性之后,又对电路板进行了更高温度以及密封环境下的热仿真,从中得到如下结论:

(1)电路板上器件按其耐热性能从左到右排列,最右边为耐热性能最好的钢体器件,这样可以提高器件在受重力因素影响的热气流路径上的耐热性能;

(2)在对环境、电路板、器件等参数不断往复地设定值的过程中,发现器件的实际功耗、封装材质是元器件建模过程中最关键的部分,决定了所建模型的成败;

(3)通过对热仿真结果的分析与优化的结果可知,元器件的布局对电路板温度场的影响较大。

最终优化的结果表明,在系统设计初级阶段进行热仿真与热分析,可以更早的发现问题,节约设计时间,一定程度上提高了井下信号采集系统的耐热能力与工作的可靠性。

参考文献

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Flotherm 篇4

发光二极管LED灯被认为是继火焰、白炽灯和荧光灯之后的新一代光源，其应用的领域越来越广泛。因为其具有无污染、装换效率高、寿命长、节能、环保等优点，LED灯的发展越来越迅速。然而，基于目前半导体的制造技术，LED输出功率只有大约15%的能量装换为光能，剩余部分的装换为热能，再加上对LED灯的封装要求的严格，这部分热能功耗会造成元器件结点温度的急剧升高，电子产品的温度对其是否可以安全可靠地工作影响非常大。如果产品生产出来研究其散热的合理性是否符合，不仅会产生浪费，而且还周期过长，因此需要热分析软件来对其进行分析，可以大大地提高产品的一次成功率。利用CDF软件Flotherm来进行热分析，从而加快了整个产品的设计周期。

Flotherm软件是由英国Flomerics公司开发专门针对电子散热领域的CFD仿真软件，主要是解决电子散热行业的实际工程应用问题。

2 物理模型和散热方案

设备的集合尺寸为60mm*60mm*200mm；最高工作环境温度是46℃，在不影响原始热分布的情况下其简化图如图1所示。

其所处环境的热交换系数为5W/㎡。LED灯的外部采用不锈钢，厚度设为1.1mm,LED灯的总功耗为110W，散热片采用7*7的圆形，材质为铝合金，直径为3mm，长为20mm。将LED灯贴在散热片上。

模型建立好了之后，进行局域网格的划分是很有必要的，这样可以节约Flotherm软件的计算时间，可以更快速地测试模型，如图2所示是进行的局域网格的划分。

网格划分好之后，接下来进行散热的模拟，图3～图4为测试的结果。

3 结语

利用Flotherm软件对LED灯散热进行了建模与网格划分及求解计算，分析了其稳态条件下的温度分布图，对LED等散热有了直观的了解，也缩短了分析计算时间，使产品可以高质量、高性能、短周期地进入市场。在加大此LED灯的外部接触面积的情况下，其散热会更加理想，但是不符合节约成本的规划。

摘要：利用Flotherm软件对具有荆楚特色的LED灯的封装结构进行建模与仿真,结果表明,改变LED的封装结构对其的散热有显著影响,增加封装结构的接地面积,散热更加明显。

关键词：热设计,热仿真,LED灯

参考文献

[1]李波,李科群,俞丹海.Flotherm软件在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程,2008,03:11-13+30.

[2]李晶.利用Flotherm对大功率LED封装的热分析[J].闽西职业技术学院学报,2010,03:112-117.