電子裝備熱仿真關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法概述★

朱嘉偉， 李婥，張錚，胡湘洪

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京100041；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610；4.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東 廣州 510610；5.廣東工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

電子裝備熱仿真關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算方法概述★

朱嘉偉1，5， 李婥2，張錚3，胡湘洪4

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京100041；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610；4.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東 廣州 510610；5.廣東工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

熱仿真是設(shè)計(jì)人員針對(duì)電子裝備開展熱設(shè)計(jì)工作的常用工具，其精度主要受仿真輸入?yún)?shù)的影響。因此，如何估算或獲得較為準(zhǔn)確的熱仿真關(guān)鍵輸入?yún)?shù)是設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的問題?；陲L(fēng)洞試驗(yàn)原理和相關(guān)元器件功耗產(chǎn)生的原因，介紹了一種通過仿真手段獲得風(fēng)扇特性曲線的方法，并給出了6類常用元器件功耗的估算方式，為相關(guān)技術(shù)人員開展熱仿真工作提供了一定的參考。

熱仿真；風(fēng)扇特性曲線；功耗；輸入?yún)?shù)

0 引言

溫度是影響裝備電子模塊可靠性的關(guān)鍵環(huán)境應(yīng)力，引起電子產(chǎn)品故障的主要環(huán)境應(yīng)力如圖1所示，從圖1中可以看出，55%的電子產(chǎn)品故障都與溫度有關(guān)[1]，因此，做好電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)工作，對(duì)于提升裝備的整體可靠性水平有著至關(guān)重要的作用[2]。目前，在裝備電子模塊設(shè)計(jì)研發(fā)的過程中經(jīng)常會(huì)使用熱仿真工具來進(jìn)行產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)工作，從而達(dá)到優(yōu)化熱設(shè)計(jì)方案，減少相關(guān)試驗(yàn)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本的目的[3]。

圖1 電子產(chǎn)品故障的主要原因

風(fēng)扇特性曲線和器件功耗是影響熱仿真結(jié)果精度的關(guān)鍵因素，但是，由于在開展熱仿真工作時(shí)，相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案還處于圖紙階段，無法通過風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)測(cè)的方法來獲得準(zhǔn)確的風(fēng)扇特性曲線和器件功耗，目前相關(guān)熱仿真技術(shù)人員大多通過經(jīng)驗(yàn)來估算相關(guān)參數(shù)，仿真結(jié)果的精度就會(huì)大打折扣。因此，本文介紹了一種利用仿真手段獲得風(fēng)扇特性曲線的方法，并從理論上推導(dǎo)并給出了包括電容、電感等在內(nèi)的6種常用元器件的功耗計(jì)算方法，為技術(shù)人員在開展熱仿真工作時(shí)準(zhǔn)確地獲得相關(guān)風(fēng)扇特性曲線和器件功耗提供了一定的參考。

1 風(fēng)扇特性曲線仿真計(jì)算方法

風(fēng)扇特性曲線是風(fēng)扇在某一轉(zhuǎn)速下的關(guān)鍵特征函數(shù)線，它描述的是風(fēng)扇前后壓力差和風(fēng)量之間的函數(shù)關(guān)系，一般通過風(fēng)洞試驗(yàn)獲得[4]。風(fēng)扇特性曲線直接影響著熱仿真的精度，是開展熱仿真工作必須輸入的關(guān)鍵參數(shù)之一。在設(shè)計(jì)階段，如果沒有獲得風(fēng)扇特性曲線，目前在仿真時(shí)常用的方法是對(duì)風(fēng)扇模型在整系統(tǒng)的條件下設(shè)置旋轉(zhuǎn)域的方式來獲得產(chǎn)品的熱分布情況，為了得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，此種仿真方式需針對(duì)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域部分來劃分大量的網(wǎng)格資源，導(dǎo)致單次仿真時(shí)間比較長，仿真效率不高，因此，如何在風(fēng)扇的設(shè)計(jì)階段獲得其風(fēng)扇特性曲線直接影響著整個(gè)仿真工作的效率和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，是熱仿真工程師比較關(guān)心的問題之一。

1.1 風(fēng)扇特性曲線仿真模型

通過風(fēng)道獲得風(fēng)扇特性曲線的原理是在某一恒定的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下，通過改變進(jìn)入風(fēng)扇的風(fēng)量來獲得不同風(fēng)量條件下風(fēng)扇兩邊的壓力差，從而獲得風(fēng)扇在某一轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇特性曲線。模擬風(fēng)洞試驗(yàn)原理所建的風(fēng)扇特性曲線仿真模型的透視結(jié)構(gòu)如圖2所示，模型的實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖3所示，可以看出整個(gè)模型為圓筒形結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的外壁面設(shè)置為墻，筒形結(jié)構(gòu)由3個(gè)部分組成，進(jìn)口部分和出口部分的半徑相同，約為風(fēng)扇半徑的2倍，中間部分的筒形結(jié)構(gòu)的長度和半徑與風(fēng)扇的一致。整個(gè)筒形結(jié)構(gòu)中間為空心，用于空氣流動(dòng)，風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)模型放置于約距離圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)口的1/3位置，并把風(fēng)扇所處的區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為風(fēng)扇實(shí)際工作下的轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的厚度和半徑與風(fēng)扇的一致。筒形結(jié)構(gòu)進(jìn)口設(shè)置為流量進(jìn)口，出口設(shè)置為環(huán)境壓力出口，即空氣整個(gè)流動(dòng)方向是從筒形結(jié)構(gòu)的左邊流進(jìn)，右邊流出，通過改變進(jìn)口流量得到不同流量下風(fēng)扇左右兩邊的壓力差，零流量點(diǎn)一般為第一個(gè)仿真計(jì)算點(diǎn)，然后逐步地增加流量大小從而得出所設(shè)計(jì)的風(fēng)扇完整的特性曲線。

圖2 風(fēng)扇特性曲線仿真模型的透視結(jié)構(gòu)

圖3 風(fēng)扇特性曲線仿真模型的實(shí)體結(jié)構(gòu)

某型軸流式風(fēng)扇在上述模型下通過仿真計(jì)算所得到的結(jié)果如表1所示，借助表1中的數(shù)據(jù)可以描繪出本款風(fēng)扇的特性曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出，整個(gè)風(fēng)扇的特性曲線符合軸流式風(fēng)扇的特點(diǎn)，并且后續(xù)利用本特性曲線對(duì)某電子系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真時(shí)所得的結(jié)果與實(shí)際較為匹配，而且整系統(tǒng)單次熱仿真時(shí)間比旋轉(zhuǎn)域仿真方式縮短不少 （旋轉(zhuǎn)域方式仿真一次需5 d，風(fēng)扇特性曲線方式仿真一次只需13～15 h），仿真效率得到了大大的提高。

表1 某型軸流式風(fēng)扇特性曲線點(diǎn)

圖4 某型軸流式風(fēng)扇特性曲線

2 常用的器件熱功耗計(jì)算方法

在進(jìn)行熱仿真時(shí)，熱設(shè)計(jì)工程師由于在設(shè)計(jì)階段無法通過實(shí)測(cè)的方法得到相關(guān)關(guān)鍵元器件較為準(zhǔn)確的功耗值，只能借助電路工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來估算元器件的功耗情況，由于每個(gè)電路工程師的經(jīng)驗(yàn)與水平不大一致，導(dǎo)致不同的工程師對(duì)于同一器件在同一電路中估算出來的功耗值也不盡相同，熱仿真結(jié)果的精度會(huì)大打折扣。如何較為系統(tǒng)地、準(zhǔn)確地估算各類元器件的功耗是影響熱仿真精度的關(guān)鍵。因此，以下將根據(jù)元器件的工作原理，從理論上給出6類常用元器件的功耗計(jì)算方法，以供相關(guān)熱仿真技術(shù)人員參考[5]。

2.1 電容

電容在理想狀態(tài)下是不存在損耗的，但是，由于電容的結(jié)構(gòu)和工藝原因會(huì)引入等效串聯(lián)電阻（ESR： equivalent series resistance）， 電容的發(fā)熱主要就是由于ESR導(dǎo)致的，計(jì)算電容的損耗的公式為：

ESR的具體值可通過器件規(guī)格書或試驗(yàn)測(cè)量獲得，若知道電容的Q值 （品質(zhì)因子），則ESR可通過下式計(jì)算得到：

式（2）中：Zc——電容的容抗。

其計(jì)算公式為：

式（3）中：f——頻率；

C——電容容值。

2.2 電感

與電容一樣，電感在理想狀態(tài)下也是不存在損耗的，其損耗也是由于ESR引起的，電感的損耗的計(jì)算公式為：

電感的ESR也可以通過規(guī)格書或試驗(yàn)得到，或通過電感Q值 （品質(zhì)因子）計(jì)算獲得：

式（5）中：Zl——電感的感抗。

其計(jì)算公式為：

式（6）中：f——頻率；

L——電感值。

2.3 變壓器

變壓器的損耗可通過以下步驟計(jì)算得到。首先，利用變壓器的輸入端電流和電壓得到輸入功率P1，即：

然后，利用變壓器的輸入功率P1和變壓器的轉(zhuǎn)換效率η計(jì)算出變壓器的輸出功率P2，其計(jì)算公式為：

最后，利用P1減去P2，即可得到變壓器的損耗值P，即：

2.4 電阻

電阻的損耗計(jì)算公式為：

式（10）中：I——流過電阻的電流；

R——電阻值。

在進(jìn)行計(jì)算時(shí)要考慮電阻自身的工作狀態(tài)，如通斷間隙、電壓變化等。

2.5 三端穩(wěn)壓器

三端穩(wěn)壓器的作用是幫助獲得穩(wěn)定的輸出電壓，其損耗功率為輸入功率與輸出功率的差值，即：

式（11）中：U1——輸入電壓；

U2——輸出電壓；

I——輸出電流。

由于三端穩(wěn)壓器為功耗大、發(fā)熱大的器件，容易因過熱而引起燒毀失效，建議在仿真計(jì)算時(shí)，使用最大負(fù)載狀態(tài)計(jì)算，即在輸出電流最大的條件下進(jìn)行功耗計(jì)算。

2.6 IPM模塊功耗計(jì)算

一般IPM模塊的損耗由兩大部分組成，一部分為IGBT發(fā)生的損耗，一部分為續(xù)流二極管（FWD）發(fā)生的損耗。功耗計(jì)算過程的假設(shè)前提如下：

1）正弦波電流輸出PWM控制VVVF變頻器；

2）PWM信號(hào)時(shí)通過比較正弦波和三角波而得到的；

3）輸出電流為理想的正弦波。

基于以上的假設(shè)，可以得到：

式（12）-（13）中：DT、DF——輸出電流半波上的IGBT和FWD的平均導(dǎo)通率；

IM——輸出電流的有效值；

R——輸出特性曲線的斜率；

VO——截距。

R和VO要通過圖4所示的輸出特性曲線獲取，IGBT和FWD各自對(duì)應(yīng)有自己的輸出特性曲線。

圖5 輸出特性曲線

IGBT開通損耗Pon=0.5*fc*Eon（IM），其中，Eon（IM） 為IC=IM時(shí)的Eon；

IGBT關(guān)斷損耗Poff=0.5*fc*Eoff（IM），其中，Eoff（IM） 為IC=IM時(shí)的Eoff；

FWD反向恢復(fù)損耗Prr=0.5*fc*Err（IM），其中，Err（IM） 為IC=IM時(shí)的Err；

其中：fc——電流輸出頻率。

Eon、Eoff和Err均要通過圖2所示的交換損耗特性曲線獲得。

圖6 交換損耗特性曲線

綜上所述可得：

IGBT部分發(fā)生的損耗為：PIGBT=Psat+Pon+Poff；

FWD部分發(fā)生的損耗為：PFWD=Pf+Prr；

從以上的計(jì)算過程可以看出，計(jì)算時(shí)涉及過多IGBT潛在參數(shù)，需器件供應(yīng)商支持，才可順利地完成IPM模塊的功耗計(jì)算。

3 結(jié)束語

本文從理論上給出了風(fēng)扇特性曲線和6種常用的元器件功耗的仿真與計(jì)算方法，能夠有效地指導(dǎo)技術(shù)人員開展熱仿真關(guān)鍵輸入?yún)?shù)的估算工作，但是產(chǎn)品在實(shí)際的使用過程中會(huì)受到許多不可預(yù)知的環(huán)境條件的影響，導(dǎo)致理論計(jì)算方法所得的結(jié)果會(huì)和實(shí)際存在一定的差異，因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該在充分結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn)、相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果和真實(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)的前提下對(duì)理論計(jì)算模型進(jìn)行修正，進(jìn)而得到有針對(duì)性的理論仿真或計(jì)算模型，充分地提高熱仿真結(jié)果的精度和仿真工作的效率，從而最終達(dá)到縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間和降低相關(guān)試驗(yàn)成本的目的。

[1]朱嘉偉，解江，張澤，等.電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)工作方法討論 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2015， 33（5）：47-50.

[2]YOUNES Shabany，著.傳熱學(xué)：電力電子器件熱管理[M].余小玲，吳偉烽，劉飛龍，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]呂永超，楊雙根.電子設(shè)備熱分析_熱設(shè)計(jì)及熱測(cè)試技術(shù)綜述及最新進(jìn)展 [J].電子機(jī)械工程，2007，23（1）：5-10.

[4]謝少鋒，張?jiān)稣眨檱?可靠性設(shè)計(jì) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[5]秦曾煌.電工學(xué)簡(jiǎn)明教程 [M].北京：高等教育出版社，2007.

Calculation Method of Key Parameters for Thermal Simulation of Electronic Equipment

ZHU Jiawei1，5， LI Nao2， ZHANG Zheng3， HU Xianghong4
（1.CEPREI， Guangzhou 510610， China；2.China Academic of Electronics and Information Technology of CETC， Beijing 100041， China；3.Guangdong Provincial key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology，Guangzhou 510610， China；4.Guangdong Provincial Research Center of Electronic Information Products Reliability and Environment Engineering Technology， Guangzhou 510610， China；5.Guangdong Provincial Engineering Laboratory for Reliability of Industrial Robot， Guangzhou 510610， China）

Thermal simulation is a common tool for designer to carry out thermal design work for electronic equipments， and its accuracy is mainly affected by simulation input parameters.Therefore，how to estimate and obtain more accurate thermal simulation key input parameters is a matter of great concern to the designer.Based on the principle of wind tunnel test and the causes of power consumption of related components，a method to obtain the fan characteristic curve by means of simulation is introduced，and the estimation method of power consumption of six kinds of commonly used components are given，which provides some reference for the relevant technical staff to carry out thermal simulation.

thermal simulation； fan characteristic curve； power consumption； input parameter

TP 391.97

A

1672-5468（2017）04-0062-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.04.011

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 “重點(diǎn)科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)資助項(xiàng)目 （課題號(hào)：2016YFF0103007）資助

2017-01-13

2017-07-19

朱嘉偉 （1985-），男，廣東廣州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程研究中心、廣東工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室工程師，碩士，主要從事電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)、熱設(shè)計(jì)、仿真和評(píng)價(jià)工作。

美軍內(nèi)部備忘錄曝光：要求停用大疆無人機(jī)

據(jù)報(bào)道，專業(yè)無人機(jī)網(wǎng)站SUAS News于2017年8月4日公布了美國陸軍 （US Army）的一份內(nèi)部備忘錄，要求各部門停用大疆無人機(jī)。

備忘錄稱，由于 “網(wǎng)絡(luò)安全漏洞” （Cyber Vulnerabilities）問題，要求停用大疆無人機(jī)，卸載所有的大疆應(yīng)用，卸掉電池等。

同時(shí)，這份備忘錄顯示，此前，在美國陸軍，共有300多件大疆產(chǎn)品在軍中服役。

對(duì)此，大疆公關(guān)經(jīng)理Michael Perry對(duì)SUAS News表示： “對(duì)于美國陸軍的禁令，我們感到震驚，也感到失望。在做出這項(xiàng)決定時(shí)，美國陸軍并未與大疆進(jìn)行接洽。如果其他公司或組織對(duì)大疆無人機(jī)有疑問，我們很愿意與它們直接對(duì)話，解釋那些有關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全的問題。”

Michael Perry稱： “下一步，我們會(huì)聯(lián)系美國陸軍來確認(rèn)這份備忘錄的真實(shí)性，并嘗試找出所謂的 ‘網(wǎng)絡(luò)安全漏洞'到底是什么。”

SUAS News最后稱，一位美國陸軍發(fā)言人發(fā)來郵件表示，他們能證實(shí)曾發(fā)布過備忘錄，但是，他們現(xiàn)在正在做復(fù)查工作，目前無法進(jìn)一步地置評(píng)。

（摘自騰訊網(wǎng)）