MOSFET的3D热流体分析:增加适用于冷却仿真的CFD简化模型

功率器件的问题之一是发热,这会导致各种性能问题。此类发热问题会影响功率器件和外围电路的可靠性,因此通过数值流体力学(CFD:计算流体力学)模拟的散热设计非常重要。根据器件的结构,开发用于通过CFD进行冷却仿真的器件模型可能需耗费大量时间。

简介

图1:用于冷却仿真的MOSFET 3D简化模型
图1:用于冷却仿真的MOSFET 3D简化模型

本文介绍了图1中所示的用于冷却仿真的MOSFET简化模型,该示例表明了如何查看冷却仿真结果,以及将结果用于冷却仿真的过程(和环节)。

第1章:为何热力分析对MOSFET很重要

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。

参考链接:

第2章:适用于热力分析的CFD

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”。

第3章:MOSFET冷却仿真简化模型

图2:CFD简化模型
图2:CFD简化模型

图2所示的模型将影响热流路径的实际元器件形状简化为块状。模型由各个元器件(模具、芯片、焊料、栅极-源极引脚和外露漏极垫)和每个元器件的材料属性组成。

图2中的缩写含义如下。

  • 模具:模具
  • 芯片:半导体芯片
  • 焊料M:半导体芯片贴片用焊料
  • 引脚GS:栅极与源极引脚(公用块)
  • 散热垫:封装底部露出的漏极垫
图3:材料属性数值文件
图3:材料属性数值文件

CFD简化模型需要元器件的材料属性。图3中显示了热传导、比热和密度的典型值。

第4章:使用CFD简化模型的冷却仿真示例

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。

4-1:目的

图4:仿真示例中使用的模型
图4:仿真示例中使用的模型

此示例是对电路板模型进行的冷却仿真,假定有一个逆变电路。目的是检查每个MOSFET及其周围环境的温度。图4显示了贴装在带散热器的电路板上的六个MOSFET。MOSFET的材料属性如图3所示。

4-2:表面温度分布

图5:表面温度分布
图5:表面温度分布

图5显示了整个电路板的表面温度分布、右上方MOSFET的模具表面温度分布以及MOSFET内部的温度分布。

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。

图6:电路板内部的温度分布
图6:电路板内部的温度分布

图6中的放大图显示了电路板的内部温度分布,包括导通孔和铜层,但未显示MOSFET本身。此示例显示了位于电路板右侧边缘的MOSFET周围的温度分布。电路板温度分布的左侧图像显示了受相邻MOSFET影响和不受相邻MOSFET影响的温度分布差异。此外,电路板温度随着与MOSFET距离的增加而降低。这表明每个MOSFET的CFD简化模型模拟的热量都会转移到电路板上,并相互影响。

4-3:横截面温度分布

图7:横截面内的温度分布
图7:横截面内的温度分布

图7显示了散热器从中心开始的2D横截面温度分布。可以确定,MOSFET所在的散热器中心温度最高。这表明,每个MOSFET的CFD简化模型模拟的热量都转移到了散热器上。

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。

4-4:空气(流体)流速和流量

图8:气流流速和流动路径/温度
图8:气流流速和流动路径/温度

图8显示了分析过程中设置的模拟室内的空气(流体)流速和流量。图中左侧显示的是流速分布,右侧显示的是流动路径。

第5章:如何使用CFD简化模型

图9:材料属性值文本文件的标准内容
图9:材料属性值文本文件的标准内容

此CFD简化模型可用于热流体分析工具。可在我们的网站上下载这些模型,您可通过下面的参考链接查看目前有售的东芝MOSFET。下载文件为压缩格式,包括以下内容:

  1. 材料属性文本(.txt)文件,其中列出了MOSFET的热导率、比热和密度。示例如图9所示。
  2. 包含MOSFET 3D简化模型的STEP(*.stp)文件。

将这些文件导入热流体分析工具即可进行冷却仿真。

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。

参考链接:

结论

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。

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