基于Icepak的固体继电器热仿真研究
关键词：固体继电器;热仿真;电子散热;热成像技术;
1 引言
固体继电器是一种采用半导体芯片、分立器件封装而成的继电器，相比传统电磁继电器具有抗振动、冲击，可靠性高、寿命时间长的优点，广泛应用于工业控制，地面、船舶、车载和机载设备。固体继电器目前正朝小体积、高功率密度的趋势发展。固体继电器的热设计、热分析关系着产品的成败。传统的热设计根据经验公式仅对功率器件进行散热计算，固体继电器内部的其他器件无准确的散热模型，未进行计算，导致产品实际温升过高，与理论计算相差过大，使经验计算的准确度大大降低。另一种传统的热设计是先装配功能样机进行温升测试、验证，再进行设计改进，这种方法需要耗费大量的时间和精力，不能满足目前高效项目的研制需求。ANSYS Icepak是一款可进行实际工程应用的专业电子设备热仿真分析软件，使用Icepak进行热仿真分析，可以缩短研制周期，减少成本[4],降低产品因为热设计不当和热失效的概率，提升产品质量和可靠性，让产品快速上市，为企业带来经济效益。Icepak热仿真分析软件可以进行环境级、板级和元器件级的热分析。广泛应用于工业、航空航天、通讯、电器等领域。通过学习ANSYS Icepak软件热仿真分析技术[4]。对某型号大功率固体继电器(以下简称：产品)进行热仿真分析，分析后可得出的产品所有元器件的温度以及热量分布情况，在研制初期对产品结构进行改进，降低产品温升，缩短研制周期。
2 散热方式和热量传递形式选择
2.1 散热方式选择
目前，常规采用的散热方式有自然散热、强迫风冷、水冷，可根据产品的表面热流密度和可接受温升值来选择合适的散热方式[1,2,3,4],具体选择方法如图1所示。
图1 散热方式选择
产品实际使用时安装于用户整机设备内部，整机设备为箱体结构、未加其它辅助散热设备。根据实际使用情况，产品散热方式为自然散热。
自然散热是一种经济的散热方式，产品热量通过对流、热传导、辐射等方式向低温物体传递[1,2,3],产品通过达到散热效果。
2.2 热量传递形式
自然散热的热量传递的基本形式有3种基本形式：热传导、对流传热和热辐射[1,2,3]。
热量从高温物体传递到低温物体的过程称为热传导。不通材料、物质、元素具备不通的热传导性能，也叫导热性能，例如金属材料的导热性能高于非金属材料的导热性能。可以根据傅里叶定律对热传导的热流量进行计算[1,2,3]。
式中：Φ为热流量，W;k为导热系数，W/(m·K);A为导热方向的截面面积，m2;∂t/∂n为温度梯度。
产品在工作时，内部器件热量通过热传导的方式由内向外进行传递。
流体(如空气、水)在流动过程将热量传递至其他物体的现象称为对流传热。可根据牛顿冷却公式对流传热所传递的热流量进行计算[1,2,3]。
Φ=hA(tw-tf)
式中，Φ为热流量，W;h为换热系数，W/(m2·℃);A为换热面积，m2;tw为固体壁面的温度，℃;tf为热流体温，℃。
当产品所处环境采用风冷，水冷方式进行散热时需要考虑对流传热的影响。
物体由于具有温度向外辐射电磁波的现象称为热辐射，任何温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，向其他物体辐射热量，也能吸收其他具有温度的物体辐射的热量。可根据基尔霍夫定律对物体辐射的热流量进行计算[1,2,3]。
式中：ε为辐射率，取值范围0～1;σ为玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4);A为发热体表面积，m2;T1为发热体表面的温度，℃;T2为分布在周围的各物体的表面温度，℃。
产品在工作过程中，由于内部功率器件产生热量，热量会通过热辐射方式进行传递。
3 热仿真方案
产品的结构如图2所示，产品外形尺寸为=长×宽×高=24mm×22 mm×10 mm (本体尺寸)。产品内部为上、下二层电路结构，将功耗小的器件布设于第一层电路，将功耗大的器件布设于第二层电路。
图2 产品结构图
产品表面散热功率密度约为0.06W/cm2,结合用户实际使用条件，采用自然散热的热设计。产品采用金属气密式封装，上电路为产品输入电路、下电路为产品输出电路。为提高散热效率，降低散热通道热阻，将功率大的器件焊接在贴近金属底座的内表面的下电路板上，将功率小的器件排布于上电路板，上电路焊接在金属引线上，功率器件的散热模型采用典型的45°散热模型，见图3～图5。
图3 上电路板散热模型
图4 下电路板散热模型
图5 下电路板散热模型
4 热仿真计算
使用建模软件按照1:1比例建立的产品三维模型，将产品模型处理后进行仿真，产品三维模型见图6。网格质量越高，仿真的准确度越高，为提高后续网格划分的质量，提升仿真准确度。不改变产品整体结构的前提下，对产品特征进行简化处理。对产品三维模型进行简化，简化后的仿真模型见图7。
处理完模型后将简化后的模型导入Icepak仿真软件进行热仿真计算，首先对模型进行网格划分，需要多次调整网格，划分网格后的网格外形与产品外形一致且网格质量系数满足要求，以保证后续仿真的准确度。网格划分效果见图8。
图6 产品三维模型
图7 简化后的产品三维模型
图8 网格划分效果图
完成网格划分后需要设置发热器件功耗、材料、导热率、边界条件、温度、气压和重力方向等，完成参数设置后对产品进行仿真计算，计算出监测器件的温升曲线以及各个零部件的温度值。见图9、图10。
图9 仿真温度和时间关系曲线(环境温度25℃)
图10 产品表面热量分布云图(环境温度25℃)
经过Icepak热仿真计算，环境温度为25℃,产品底板表面最终温度约为66.3℃,产品罩壳表面温度约为58℃。环境温度为105℃,产品表面最终温度约为111℃。
5 实测产品表面温升
5.1 热耦测试法
搭建线路测试产品温升，施加和仿真同样的功耗，使用热耦电阻温度传感器测试产品外壳表面3个不同位置的高温和室温的温升情况，见图11。温升测试结果见表1,室温下(25℃)测试产品底板表面温度由室温上升至67.5℃达到稳定。105℃下测试产品底板表面温度由室温上升至113℃达到稳定。
图11 热耦电阻测试产品表面温度
室温下(25℃)测试产品罩壳表面的最高温度约为58℃。测试曲线见图12。
图12 测试曲线
5.2 热成像测试法
使用热成像设备分析、测试对施加额定负载产品表面温度和温度变化情况。室温下(25℃)热成像设备测试产品(罩壳)表面最高温度约为60℃。热成像图见图13,产品温度与时间关系曲线见图14。
图13 热成像图
图14 温度随时间变化曲线图
6 总结
(1)解决固体继电器热寿命验证、试验周期长问题。软件仿真和实际测试结果相差2℃。详细参数对比情况如表1所示，仿真的偏差低于产品实际温升的5%,准确度较高，可应用于产品设计及方案优化。
(2)提升设计阶段热设计优化验证效率。采用Icepak对固体继电器进行热仿真分析，通过器件、零部件材料导热率，产品内部器件的功耗不仅可以计算出全部器件的温升，通过后处理还可以得出各个元器件的热量分布云图。可以直观的体现产品热危险区域，便于快速对产品进行热设计优化。
(3)解决了理论计算只能对某个功率器件进行理论计算的问题。通过Icepak对固体继电器进行热仿真分析，可分析出产品所有元器件、零部件的热计算结果，降低热设计难度。
(4)使用Icepak对产品进行热仿真分析后，优化产品结构，提升产品一次试验通过率。减少实际验证测试、改进次数和时间，缩短产品研制周期，从而节约研制成本，提升产品的附加值。
表1 实测和仿真结果对比
7 结束语
通过ANSYS Icepak软件对产品进行热分析，得出产品及元器件的温度和温度变化曲线。采用热耦测试法和热成像设备对产品表面和温度变化曲线进行温度实测，充分论证了热仿真计算的精度满足应用需求，可应用于产品设计阶段，为产品热设计提供理论指导。
参考文献
[1] 谢德仁.电子设备热设计.南京：东南大学出版社，1989.
[2] 邱成悌.电子设备结构设计原理.南京：东南大学出版社，2005.
[3] 赵惇殳.电子设备热设计.北京：电子工业出版社，2009.
[4] 王永康.ANSYS Icepak电子散热基础教程.北京：国防工业出版社，2015.
文章来源：机电元件
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