高功率单相桥模块封装热特性研究及优化

为了提升高功率应用下单相桥模块的热可靠性,利用有限元仿真分析方法,研究了模块的封装热特性,并与实测结果进行比较,验证了模型求解的准确性和可靠性.结果表明:单相桥模块结壳热阻为0.185 3℃/W,封装7层结构中直接覆铜基板(DBC)陶瓷层占总热阻的52.12%,将DBC陶瓷绝缘材料替换为高导热率绝缘材料能够有效减小结壳热阻;在高功率应用条件下,由功率端子和引线寄生引起的焦耳热将进一步导致结温升高及模块性能下降.在此基础上,具体分析了不同功率端子、引线模型对模块封装热特性的影响.分析表明,采用铜柱型功率端子和增大近端子侧(高电流密度区域)的引线密度或截面直径均可降低结温,从而有助于提高单相桥模块的过电流能力和热可靠性.     

电力半导体器件和装置的功率损耗研究

为了提高电力电子装置和电力半导体器件的运行可靠性 ,提出了估算电力半导体器件损耗和结温的热 -电联合计算方法。基于电力半导体器件的瞬态开关特性的测量 ,构造了器件精确的损耗数学模型 ,同时考虑了器件的结温对器件损耗的影响。在单个器件损耗模型的基础上分析了电力电子变换装置的损耗 ,分析了装置中器件及其散热系统组成的热阻网络及各器件的结温。最后设计了两类实验装置分别验证损耗计算的精度 ,与实验结果的对比表明该方法为合理地设计器件的散热系统、提高电力电子变换装置的效率提供了有效手段。     

大倾角下新型热管冷板传热性能的试验研究

针对在受限空间内工作的行波管阵列所面临的多热源、高热流密度、高散热功率冷却问题,研制了一种新型热管冷板.在自行设计建立的试验台上,对新型热管冷板在大倾角下(60°≤θ≤90°)工作时的传热性能进行了系统的试验研究.试验结果表明,在不同加热总功率P(1600—4000W)和不同冷却水流量Q(100—400L/h)下,热管冷板均能在3—15m in内正常起动.除了P=1600W、Q>300L/h情况下的冷板均温性不能符合行波管冷却要求外,其余试验工况下冷板壁面的最大温差ΔTmax<10℃,冷板壁面的最高温度ΔTmax<70℃,热管冷板的总热阻<0.01℃/W,表明新型热管冷板具有优异的均温高效传热性能.为了有效地发挥新型热管冷板的均温高效散热性能,必须保证其在匹配的冷凝段冷却条件和蒸发段加热条件下工作.在试验的倾角范围内,随着倾角的增大,热阻单调递增;冷却水流量增大或加热功率增加时,热管冷板的换热增强,热阻减小.     

大功率LED封装散热关键问题的仿真

基于ANSYS有限元软件对目前3种典型LED封装结构的温度场进行模拟分析.通过比较得出,优化封装结构可以有效地提高LED散热性能,途径最佳的是减少热沉数量,次之为降低热沉热阻;经与热对流方式对LED散热效果比较,发现优化封装结构降低结温的效果并不明显.而在可实现的光转换效率下,经过必要的选材优化后,强制对流是最有效解决散热的方法.     

大功率LED的热阻计算方法

在设计的早期,对大功率发光二极管的热阻进行估算对于实行有效的热管理非常重要。提出的热阻计算方法基于热的定角度传播,考虑了边界效应,得到了覆盖芯片尺寸和衬底厚度条件的热阻精确解。假设LED封装的侧壁是绝热的,底部被连接到热沉。为了保持模型连续,使用一个自定义函数来代替原始模型的分段函数。热阻计算公式的最后表述适用于各种边界条件,并对不同材质的界面处传播角度的变化进行了讨论。     

功率LED芯片键合材料对器件热特性影响的分析与仿真

针对倒装型功率发光二极管器件,描述了功率LED器件的热阻特性,对不同芯片键合材料的功率LED热阻进行了分析,并运用AN SY S软件对3类典型芯片键合材料封装的功率LED热特性进行了仿真。仿真结果表明:采用功率芯片键合材料提高了功率LED的散热特性、降低器件PN结温,而采用普通热沉粘接胶作为芯片键合材料的功率LED的PN结温则较高,因此普通热沉粘接胶不适合用作功率LED的芯片键合材料。     

进给系统成对安装的角接触球轴承热分析

考虑轴承的离心力、陀螺力矩等因素建立滚珠的动载荷平衡模型,利用牛顿-拉弗逊法求解.然后对轴承、丝杠轴、轴承座取温度节点,考虑轴承热节点之间的接触热阻并利用轴承内部温度变化结合润滑剂的黏温效应实时修正轴系热源发热量、热边界条件等特性参数,建立机床进给轴承系统成对安装角接触球轴承的瞬态热网络模型.利用差分矩阵结合Matlab软件数值求解预测出不同进给速度下轴承座表面等重要节点的瞬态温升曲线,分析不同转速下轴系温度场的变化.并对不同进给速度下的轴系安排实际工况下的试验验证,证明了预测模型的有效性.     

基于贝叶斯概率统计的发光二极管瞬态热阻分析

应用贝叶斯概率统计的方法来反卷积进行网络识别,分析发光二极管(LED)封装器件的瞬态热阻,有效避免了计算机中频域法解卷积出现的病态问题以及贝叶斯迭代法中迭代次数选择的问题.讨论了该方法中优化参数与时间常数谱的半波宽以及纹波的关系,选择适当的优化参数进行反卷积,再由Foster网络模型转换到Cauer网络模型,获得LED器件的瞬态热阻.同时,讨论了该方法对含噪信号的反卷积的可靠性,并分析了采用此种反卷积方法得到的LED封装器件的热阻的正确性.     

联箱形式对微通道热沉流动与传热性能的影响

建立了微通道热沉的三维数值模型,同时求解流体Navier-Stockes方程、能量方程和固体区域的导热方程,模型计算结果与文献报道实验数据吻合较好.设计了新型的微通道热沉,采用本文模型对其性能进行分析计算.通过在联箱内加入隔板,设计了1-6弯头新型联箱微通道热沉,通过提高每程流速和引入交替顺逆流动,降低微通道热沉的热阻并提高其均温特性,并与直通型和Z型联箱设计比较.在8种联箱设计中,蛇形弯头联箱的热阻和均温特性均优于Z型和直通联箱,即便增大Z型和直通联箱制冷剂供液泵功,其热阻和均温性也很难达到低泵功下蛇形弯头联箱的性能.蛇形弯头数大于4时,底部中心线温度分布曲线基本重合,再增大弯头数,对降低热阻和提高均温性均无明显贡献,同时会增加额外的泵功.     

基于神经网络的IGBT结温预测

针对大电流下绝缘栅型双极晶体管(IGBT)饱和压降和集电极电流与结温之间的非线性关系带来的结温预测难题,搭建了大电流下IGBT饱和压降测试系统,获取了结温和集电极电流与饱和压降之间的非线性关系曲线,分析了关系曲线变化规律对应的物理机制.采用Matlab软件建立了误差反向传播(BP)神经网络模型和径向基函数(RBF)神经网络模型进行结温预测.与多项式数学模型预测结果对比表明:两种神经网络模型的预测相对误差和预测误差90%置信区间比多项式数学模型更小,结温预测精度更高;并且BP神经网络模型的预测精度高于RBF神经网络模型,结温预测模型选择时应优先考虑BP神经网络模型.     

硅衬底SrTiO3薄膜的热敏特性

利用氩离子束镀膜技术在SiO2/Si衬底上淀积钛酸锶（SrTiO3）膜,并制成平面型电阻器。结果表明：在实验温区（28～150℃）内,SrTiO3薄膜具有负温度系数电阻特性,且热敏牧场生比较明显,在室温30℃时,温度系数α达－2．15％℃^-1。建立热敏电阻－电容器并联模型,分析了频率对不同温度下薄膜电阻器阻拢的影响。在实验温区内,SrTiO3薄膜的介电常数具有较好的热稳定性。     

发动机排气歧管热负荷数值模拟

某发动机运行期间，由于不合理的结构设计导致排气歧管关键部位的热疲劳失效，为此采用CFD技术模拟排气歧管工作时的外流场；通过热力学计算得到排气歧管的入口和出口边界条件。计算排气歧管的三维瞬态内流场；将内外流场计算的等效传热边界条件影射到排气歧管的内外表面生成传热边界条件，计算出结构温度场；将固体边界的温度作为流场边界条件重新进行内外流场计算，反复迭代多次，最后，求解结构的热应力．对原方案提出了改进意见，结构改进后，排气歧管热疲劳失效得到排除．     

基于热应力的高温超导薄膜界面热阻模型研究

依据基于热应力理论的高温超导薄膜材料界面热阻数学模型,对高温超导薄膜Er-Ba-Cu-O与其基体MgO界面热阻随热应力变化的模型进行参数辨识.应用MATLAB开发工具设计界面热阻仿真软件,对其变化规律进行仿真研究.结果表明:界面热阻实验与仿真温度范围为20~180 K,模型误差小于10%,高温超导薄膜界面热阻随热流增加而减小,仿真结果与实验数据有较好的一致性.     

短舱管路接头耐火试验数值仿真预测

防耐火性能是航空发动机零部件满足适航要求的基本指标之一,在短舱火区内输送可燃液体的管路是其中的关键考核部件。为预测短舱管路耐火试验结果,评价管路接头火焰耐受性能,提出了开展标准火焰燃烧仿真获取第三类边界条件,通过管路流热耦合换热获取传热稳定后的流体域及固体域温度场,作为热边界条件进行结构变形分析考察管路接头接触状态的数值分析方法。通过直管火焰冲击试验及管路接头耐火试验对相关结果进行了验证。结果表明：出口管路温度预测结果误差小于3%,管路接头泄漏预测结果与试验结果一致。     

晶格Boltzmann方法模拟流体在三维圆管的流场

简要介绍了三维D3Q19晶格Boltzmann方法(LBM)及其常见几种的边界条件,并通过模拟有精确数学分析解的三维圆管的流场分布,证明了LBM方法可以精确模拟流场的分布,且算法简单、边界易处理、适合并行处理等,还给出LBM在不同边界条件和格子数的模拟精度.结果显示Mei等改进的曲线边界条件能够提高模拟精度,而反弹边界条件尽管算法简单且易处理,但模拟精度要低一个数量级.模拟中,应根据所取的弛豫时间和入口、出口之间的压强差选择合适的格点数,格点数太少影响模拟精度,太多不仅增加计算量,而且也不会提高模拟精度.     

S195柴油机气缸套温度场的三维有限元分析

建立了S195柴油机气缸套的三维有限元模型,利用ANSYS有限元分析软件的APDL语言工具加载了边界条件,分析了标定工况下气缸套温度场及热变形,计算结果与实测值吻合,精度比传统方法有所提高,从而证明这种加载边界条件方法的可行性.计算结果表明:在标定工况下气缸套的工作温度最高达483.05 K,位置在缸套内壁面的上部区域,缸套内壁径向的最大变形量为0.209 mm,位置在缸套上部.     

Lattice thermal conductivity of boron nitride nanoribbon from molecular dynamics simulation

The lattice thermal conductivity of boron nitride nanoribbon(BNNR) is calculated by using equilibrium molecular dynamics(EMD) simulation method. The Green–Kubo relation derived from linear response theory is used to acquire the thermal conductivity from heat current auto-correlation function(HCACF). HCACF of the selected BNNR system shows a tendency of a very fast decay and then be followed by a very slow decay process,finally,approaching zero approximately within 3 ps. The convergence of lattice thermal conductivity demonstrates that the thermal conductivity of BNNR can be simulated by EMD simulation using several thousands of atoms with periodic boundary conditions. The results show that BNNR exhibit lower thermal conductivity than that of boron nitride(BN) monolayer,which indicates that phonons boundary scatting significantly suppresses the phonons transport in BNNR. Vacancies in BNNR greatly affect the lattice thermal conductivity,in detail,only 1% concentration of vacancies in BNNR induce a 60% reduction of the lattice thermal conductivity at room temperature.     

三维热传导问题的间接边界元法

以三维无限域内单位强度点热源作用的温度场为基本解，用二维虚拟热源法求解三维热传导问题的稳态温度场。由于间接边界元方法的数值离散特性，应用二次非协调单元简便可行地解决了数值计算中的角域问题和边界点法向取值不确定问题。对于含ｒ－１的奇异积分取其柯西主值积分，含ｒ－２的奇异积分由间接方法求得。算例表明此方法有很高的精度。为碾压混凝土拱坝仿真计算提供了有力工具。     

光纤陀螺光纤环Shupe效应的三维有限元模型

针对传统二维热致非互易光纤环模型的局限性,建立了光纤环柱面坐标三维计算模型,可分析光纤环径向、轴向和周向温度不均匀变化导致的热致误差速率和热致误差角度．采用有限元方法对光纤环三维物理模型进行数值仿真,定量分析由温度激励造成的热致误差速率和热致误差角度．开展了光纤环温度激励实验,对比仿真和实验结果,验证了光纤环三维物理模型的有效性．并将光纤环三维计算模型成功地应用于光纤陀螺（FOG）纤环瞬态特性检测方法所用的温度激励源设计．