MOSFET的3D热流体分析：增加适用于冷却仿真的CFD简化模型

MOSFET产生的热量可能会导致各种性能问题，影响整个电路，有时还会影响外围设备的功能。例如，在机架内放置MOSFET的散热设计指南就是为了尽量减小MOSFET发热的影响。

散热设计中使用的热力分析方法大致可分为两类：

• SPICE仿真中使用的简化模型将热流路径转换为电路网。这种分析仅考虑一维特性。
• 根据器件几何形状生成的3D模型用于通过CFD执行的冷却仿真。这种方法可计算流体的3D特性，并且可以直观呈现和查看温度分布和流体流动情况，包括在实际器件中看不到的内部情况。

CFD结合了数值方法、数据结构和流体力学，可分析流体流动情况。CFD广泛用于确认复杂的热特性，如电子元器件的热力分析和热管理。

使用CFD进行热力分析有几个优点。例如，与物理评估相比，通过模拟对电路板布局和所用元器件进行设计修改的成本要低得多。根据CFD分析师的技能，分析结果可以非常准确，从而加深对热特性和相互作用的理解。CFD结果还有助于分析，因为它可以直观地呈现温度、热流、流体流动等情况。

通过CFD对MOSFET执行的冷却仿真包括三种不同的热传导形式，因为电路上的元器件在热学上十分复杂。

• 元器件之间物理接触产生的传导
• 由元器件周围移动的流体（如空气）引起的热对流
• 热辐射：一个元器件（如MOSFET）产生热量，另一个物体吸收热量。

MOSFET简化模型不仅有助于分析此类复杂形式，还具有计算时间短、收敛性好等优点。
东芝将此简化模型作为“CFD简化模型”。

在此示例中，我们使用MOSFET的CFD简化模型来说明结果，包括表面温度分布、横截面温度分布、热流和流速。

从图5可以看出，MOSFET产生的热量扩散到电路板和散热器的外部。为了解MOSFET的内部温度分布情况，热流体分析工具的显示设置允许直观呈现器件（如芯片）内部的温度，而这在实际设置中是看不到的。

这种视图有助于了解散热器能散发多少热能和热量。可以看到，热量以MOSFET所在区域为中心，向散热器的散热片顶端传递。

在热仿真中使用CFD简化模型的步骤如下：

1. 下载目标MOSFET的压缩文件并解压到任意文件夹中
2. 使用热流体分析工具的专用CAD工具将CFD简化模型转换为仿真模型
3. 将仿真模型导入热流体分析工具
4. 为导入模型的每个部分分配材料属性值文本文件中描述的属性值
5. 进行冷却仿真

有关模型导入或材料属性设置的任何问题，请联系您的工具供应商。

将MOSFET纳入热仿真以进行热力分析非常重要，但MOSFET模型的多样性往往会使这一过程变得十分复杂。本文介绍了可用于CFD热仿真的MOSFET简化模型。您只需要STEP文件格式的MOSFET 3D模型和MOSFET的材料属性，这两种资料都可从我们的网站上下载，适用于数百种类型的MOSFET。