电子装备热仿真关键参数计算方法概述★

2017-12-22朱嘉伟李婥张铮胡湘洪

电子产品可靠性与环境试验 2017年4期

朱嘉伟，李婥，张铮，胡湘洪

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610；2.中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京100041；3.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东广州 510610；4.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广东广州 510610；5.广东工业机器人可靠性工程实验室，广东广州 510610）

电子装备热仿真关键参数计算方法概述★

朱嘉伟1，5，李婥2，张铮3，胡湘洪4

热仿真是设计人员针对电子装备开展热设计工作的常用工具，其精度主要受仿真输入参数的影响。因此，如何估算或获得较为准确的热仿真关键输入参数是设计人员非常关心的问题。基于风洞试验原理和相关元器件功耗产生的原因，介绍了一种通过仿真手段获得风扇特性曲线的方法，并给出了6类常用元器件功耗的估算方式，为相关技术人员开展热仿真工作提供了一定的参考。

热仿真；风扇特性曲线；功耗；输入参数

0 引言

温度是影响装备电子模块可靠性的关键环境应力，引起电子产品故障的主要环境应力如图1所示，从图1中可以看出，55%的电子产品故障都与温度有关[1]，因此，做好电子产品的热设计工作，对于提升装备的整体可靠性水平有着至关重要的作用[2]。目前，在装备电子模块设计研发的过程中经常会使用热仿真工具来进行产品的热设计工作，从而达到优化热设计方案，减少相关试验时间和设计成本的目的[3]。

图1 电子产品故障的主要原因

风扇特性曲线和器件功耗是影响热仿真结果精度的关键因素，但是，由于在开展热仿真工作时，相关产品的设计方案还处于图纸阶段，无法通过风洞试验和实测的方法来获得准确的风扇特性曲线和器件功耗，目前相关热仿真技术人员大多通过经验来估算相关参数，仿真结果的精度就会大打折扣。因此，本文介绍了一种利用仿真手段获得风扇特性曲线的方法，并从理论上推导并给出了包括电容、电感等在内的6种常用元器件的功耗计算方法，为技术人员在开展热仿真工作时准确地获得相关风扇特性曲线和器件功耗提供了一定的参考。

1 风扇特性曲线仿真计算方法

风扇特性曲线是风扇在某一转速下的关键特征函数线，它描述的是风扇前后压力差和风量之间的函数关系，一般通过风洞试验获得[4]。风扇特性曲线直接影响着热仿真的精度，是开展热仿真工作必须输入的关键参数之一。在设计阶段，如果没有获得风扇特性曲线，目前在仿真时常用的方法是对风扇模型在整系统的条件下设置旋转域的方式来获得产品的热分布情况，为了得到准确的仿真结果，此种仿真方式需针对风扇旋转域部分来划分大量的网格资源，导致单次仿真时间比较长，仿真效率不高，因此，如何在风扇的设计阶段获得其风扇特性曲线直接影响着整个仿真工作的效率和产品的设计周期，是热仿真工程师比较关心的问题之一。

1.1 风扇特性曲线仿真模型

通过风道获得风扇特性曲线的原理是在某一恒定的风扇转速下，通过改变进入风扇的风量来获得不同风量条件下风扇两边的压力差，从而获得风扇在某一转速下的风扇特性曲线。模拟风洞试验原理所建的风扇特性曲线仿真模型的透视结构如图2所示，模型的实体结构如图3所示，可以看出整个模型为圆筒形结构，整个结构的外壁面设置为墙，筒形结构由3个部分组成，进口部分和出口部分的半径相同，约为风扇半径的2倍，中间部分的筒形结构的长度和半径与风扇的一致。整个筒形结构中间为空心，用于空气流动，风扇的结构模型放置于约距离圆筒结构进口的1/3位置，并把风扇所处的区域设置为旋转域，旋转转速为风扇实际工作下的转速，旋转区域的厚度和半径与风扇的一致。筒形结构进口设置为流量进口，出口设置为环境压力出口，即空气整个流动方向是从筒形结构的左边流进，右边流出，通过改变进口流量得到不同流量下风扇左右两边的压力差，零流量点一般为第一个仿真计算点，然后逐步地增加流量大小从而得出所设计的风扇完整的特性曲线。

图2 风扇特性曲线仿真模型的透视结构

图3 风扇特性曲线仿真模型的实体结构

某型轴流式风扇在上述模型下通过仿真计算所得到的结果如表1所示，借助表1中的数据可以描绘出本款风扇的特性曲线，如图4所示。从图4中可以看出，整个风扇的特性曲线符合轴流式风扇的特点，并且后续利用本特性曲线对某电子系统进行热仿真时所得的结果与实际较为匹配，而且整系统单次热仿真时间比旋转域仿真方式缩短不少（旋转域方式仿真一次需5 d，风扇特性曲线方式仿真一次只需13～15 h），仿真效率得到了大大的提高。

表1 某型轴流式风扇特性曲线点

图4 某型轴流式风扇特性曲线

2 常用的器件热功耗计算方法

在进行热仿真时，热设计工程师由于在设计阶段无法通过实测的方法得到相关关键元器件较为准确的功耗值，只能借助电路工程师的设计经验来估算元器件的功耗情况，由于每个电路工程师的经验与水平不大一致，导致不同的工程师对于同一器件在同一电路中估算出来的功耗值也不尽相同，热仿真结果的精度会大打折扣。如何较为系统地、准确地估算各类元器件的功耗是影响热仿真精度的关键。因此，以下将根据元器件的工作原理，从理论上给出6类常用元器件的功耗计算方法，以供相关热仿真技术人员参考[5]。

2.1 电容

电容在理想状态下是不存在损耗的，但是，由于电容的结构和工艺原因会引入等效串联电阻（ESR： equivalent series resistance），电容的发热主要就是由于ESR导致的，计算电容的损耗的公式为：

ESR的具体值可通过器件规格书或试验测量获得，若知道电容的Q值（品质因子），则ESR可通过下式计算得到：

式（2）中：Zc——电容的容抗。

其计算公式为：

式（3）中：f——频率；

C——电容容值。

2.2 电感

与电容一样，电感在理想状态下也是不存在损耗的，其损耗也是由于ESR引起的，电感的损耗的计算公式为：

电感的ESR也可以通过规格书或试验得到，或通过电感Q值（品质因子）计算获得：

式（5）中：Zl——电感的感抗。

其计算公式为：

式（6）中：f——频率；

L——电感值。

2.3 变压器

变压器的损耗可通过以下步骤计算得到。首先，利用变压器的输入端电流和电压得到输入功率P1，即：

然后，利用变压器的输入功率P1和变压器的转换效率η计算出变压器的输出功率P2，其计算公式为：

最后，利用P1减去P2，即可得到变压器的损耗值P，即：

2.4 电阻

电阻的损耗计算公式为：

式（10）中：I——流过电阻的电流；

R——电阻值。

在进行计算时要考虑电阻自身的工作状态，如通断间隙、电压变化等。

2.5 三端稳压器

三端稳压器的作用是帮助获得稳定的输出电压，其损耗功率为输入功率与输出功率的差值，即：

式（11）中：U1——输入电压；

U2——输出电压；

I——输出电流。

由于三端稳压器为功耗大、发热大的器件，容易因过热而引起烧毁失效，建议在仿真计算时，使用最大负载状态计算，即在输出电流最大的条件下进行功耗计算。

2.6 IPM模块功耗计算

一般IPM模块的损耗由两大部分组成，一部分为IGBT发生的损耗，一部分为续流二极管（FWD）发生的损耗。功耗计算过程的假设前提如下：

1）正弦波电流输出PWM控制VVVF变频器；

2）PWM信号时通过比较正弦波和三角波而得到的；

3）输出电流为理想的正弦波。

基于以上的假设，可以得到：

式（12）-（13）中：DT、DF——输出电流半波上的IGBT和FWD的平均导通率；

IM——输出电流的有效值；

R——输出特性曲线的斜率；

VO——截距。

R和VO要通过图4所示的输出特性曲线获取，IGBT和FWD各自对应有自己的输出特性曲线。

图5 输出特性曲线

IGBT开通损耗Pon=0.5*fc*Eon（IM），其中，Eon（IM）为IC=IM时的Eon；

IGBT关断损耗Poff=0.5*fc*Eoff（IM），其中，Eoff（IM）为IC=IM时的Eoff；

FWD反向恢复损耗Prr=0.5*fc*Err（IM），其中，Err（IM）为IC=IM时的Err；

其中：fc——电流输出频率。

Eon、Eoff和Err均要通过图2所示的交换损耗特性曲线获得。

图6 交换损耗特性曲线

综上所述可得：

IGBT部分发生的损耗为：PIGBT=Psat+Pon+Poff；

FWD部分发生的损耗为：PFWD=Pf+Prr；

从以上的计算过程可以看出，计算时涉及过多IGBT潜在参数，需器件供应商支持，才可顺利地完成IPM模块的功耗计算。

3 结束语

本文从理论上给出了风扇特性曲线和6种常用的元器件功耗的仿真与计算方法，能够有效地指导技术人员开展热仿真关键输入参数的估算工作，但是产品在实际的使用过程中会受到许多不可预知的环境条件的影响，导致理论计算方法所得的结果会和实际存在一定的差异，因此，相关技术人员应该在充分结合产品的特点、相关试验结果和真实测试数据的前提下对理论计算模型进行修正，进而得到有针对性的理论仿真或计算模型，充分地提高热仿真结果的精度和仿真工作的效率，从而最终达到缩短产品的设计时间和降低相关试验成本的目的。

[1]朱嘉伟，解江，张泽，等.电子产品热设计工作方法讨论 [J].电子产品可靠性与环境试验，2015， 33（5）：47-50.

[2]YOUNES Shabany，著.传热学：电力电子器件热管理[M].余小玲，吴伟烽，刘飞龙，译.北京：机械工业出版社，2013.

[3]吕永超，杨双根.电子设备热分析_热设计及热测试技术综述及最新进展 [J].电子机械工程，2007，23（1）：5-10.

[4]谢少锋，张增照，聂国建.可靠性设计 [M].北京：电子工业出版社，2015.

[5]秦曾煌.电工学简明教程 [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

1672-5468（2017）04-0062-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.04.011

国家重点研发计划 “重点科学仪器设备开发”重点专项资助项目（课题号：2016YFF0103007）资助

2017-01-13

2017-07-19

朱嘉伟（1985-），男，广东广州人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心、广东工业机器人可靠性工程实验室工程师，硕士，主要从事电子产品可靠性试验、热设计、仿真和评价工作。

美军内部备忘录曝光：要求停用大疆无人机

据报道，专业无人机网站SUAS News于2017年8月4日公布了美国陆军（US Army）的一份内部备忘录，要求各部门停用大疆无人机。

备忘录称，由于 “网络安全漏洞” （Cyber Vulnerabilities）问题，要求停用大疆无人机，卸载所有的大疆应用，卸掉电池等。

同时，这份备忘录显示，此前，在美国陆军，共有300多件大疆产品在军中服役。