用ANSYS软件包模拟功率半导体器件用散热器稳态热阻

用ANSYS软件包模拟功率半导体器件用散热器稳态热阻
1 引 言
    功率半导体器件是高发热的电器产品，功率半导体器件的结温高低直接关系到器件的工作状态和承受浪涌电流的能力[1]。功率半导体器件的结温一方面取决于器件损耗的大小，另一方面取决于这些损耗被带走的速度，即取决于散热冷却条件。功率半导体器件用的散热器的目的是控制半导体器件的结温Tj ，使其低于半导体器件的最大结温Tjmax ，从而提高半导体器件的稳定性和可靠性。因此，深入而准确地了解功率半导体器件用散热器的温度场分布，对于功率半导体器件的应用，无疑是一个十分重要的基本问题。温度场的仿真计算及分析，是世界各种优化设计其产品的一种重要手段，大到一艘潜艇，一架飞机，小到一台PC机机箱，一块冷却板均应用这一技术进行优化设计。在机车上，因此体积，重量受到严格限制，加上其电气发热密度大，因此通风冷却是机车关键设计技术之一。在我国机车通风冷却设计技术中，还没有或很少利用计算机进行仿真计算，优化，一般还是根据经验进行，设计较粗糙，不能满足生产实验的需要，必须对功率半导体器件用的散热器进行仿真计算，达到优化设计的目的。而ANSYS多物理场软件包恰恰可以对温度场，流场等方面内容进行仿真。因此，本文介绍用ANSYS多物理场软件包对功率半导体器件用散热器进行温度场仿真计算，且计算结果与测试结果吻合得很好。
    2 理论分析
    根据传热学模拟理论，不论是什么样的散热器模型都必须按照通一的原则加以分析和研究，即求解导热微分方程。我们知道，在传热学中，具有内热源和瞬态温度场的三维导热在直角坐标系中的微分方程式为[2]： t /

图1 为SS7D机车主整流器功率半导体器件用的铜散热器模型(仅为整体1/4)
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图2 为SS7D用散热器在被施加1393W功率时,得到的仿真温度场分布图
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图3 为SS7D用散热器在被施加1979W功率时,得到的仿真温度场分布图
200512193222362.jpg (19.45 KB)

5 结 论
    纵上所述，我们已经基本上掌握了利用ANSYS多物理场软件包仿真散热器的温度场分布的技术。该技术的关键在于根据变流技术电路中功率器件实际耗散功率的大小并结合本软件允许剖分网格点数量(该网格点数量一般为3～4万个网格)的限制，建立合理的几何模型和划分网格的精细程度，就可以得到比较满意的仿真结果。目前我们在设计功率半导体器件用的散热器时，首先就必须利用ANSYS软件包进行仿真，并根据仿真的优化结果来设计具体的散热器，这不仅效果好，而且节约大量的前期试验时间和研究费用，这将为散热器的优化设计提供了一个重要手段。
   
    参考文献：
    [1] 陈治明等，“6000V晶闸管正向压降的计算机模拟”，半导体学报，第五期(1990.5)
    [2] 杨世铭，传热学，高等教育出版社，1987，第二章。
    [3] T.Adachietal，IEEE Trans.，ED—26(7)，PP.1026 ～131，1979。
    [4] 朱伯芳，有限单元法原理与应用，水利电力出版社，1979，第四章。
   
    [基金项目] 铁道部株洲电力机车研究所所级研究课题的内容
   
    作者简介：
    张发生（1965-） 男, 江西临川人，硕士, 副教授 , 现从事电力电子技术教学研究工作。