热分析方法
东方科技，结构设计室1.热分析的目的
温度过高会造成电子产品的损坏。任何元器件、封装在一定温度下都有一定的失效率，温度越高失效率越大，按指数增长。通过热分析使分配给每一个元器件的失效率一致，并且使元器件工作在要求的温度范围之内。换言之，热分析可以确保电子产品工作可靠，各个元器件温度分布均匀。
2.术语
温升
零部件、元器件温度与环境温度的差值。
热耗
又叫损耗，指元器件或设备工作时产生的热量。热耗不同于功耗，功耗是元器件或
设备的输入功率。一般电子器件效率比较低，大部分功耗转化为热量。
热流密度
单位面积上的热耗，单位W/m2。
热阻
1W热量引起的温升大小，反映介质传热能力的大小，单位℃/W。
导热系数
1m厚的材料，两侧表面的温差为1℃，在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，
单位W/m∙K。
对流换热系数
流体与壁面的温差为1℃时，在单位时间通过单位面积的热量，表示流体与固体表
面之间的换热能力，单位W/m2∙K。
系统阻力
流体经过设备或机柜风道、散热器风道、进风系统过滤网等通道产生的静压差，单
位Pa。
风机特性
表示风机主要性能参数（风量、风压、功率、效率）之间的关系的曲线。
风机运行点
系统阻力曲线与风机特性曲线的交点。表示风机实际的工作状态。
壳温
指元器件安装接触面的温度，如IGBT与散热器接触底面的温度。
结温
指元器件内部的温度，如IGBT芯片或二极管芯片的温度。
3.IGBT热耗
热分析前必须计算元器件的热耗，热耗计算错误必将导致错误的分析结果，严重的会使设备温升过大，当环境温度较高时设备无法运行或损坏。
表1. IGBT热耗计算参数
其中，壳温按80℃，最大结温查询IGBT手册。
此外，计算参数还包括环境温度T a，及每桥臂对应散热器热阻R th。
3.1.热耗计算
根据[表1]中的数据可以算出IGBT芯片及二极管芯片的导通损耗P cond，开关损耗P SW，总损耗P cond+P SW；引脚损耗P RCC′EE′。
引脚损耗通过接线端子可以散发出去，为了使分析结果更接近真实值，一般热分析时不考虑这部分热量，但时，在极端条件下引脚损耗的热量也会进入IGBT基板，增加散热器的负荷。
3.2.温度计算
根据热阻的定义，热耗×热阻=温升。结到壳的热阻R jc、壳到散热器的热阻R ch可以查询IGBT手册，散热器热阻R th在热耗计算时假定，所以散热器温度T hs、壳温T C、结温T j都可计算出来。
这样，在热分析前便能够估算各个温度值，是在假定散热器热阻的前提下进行的。
散热器尺寸与热阻之间存在必然联系，如果能将散热器热阻合理的数值确定下来，散热器的尺寸也将不再是随意变化的，为确定散热器尺寸提供了依据。
估计温度值与热分析温度值进行比较，还可以验证热分析的正确性。
3.3.最大电流计算
随着电流的增大，各项温度值也随之增大。元器件的最大温度对应的电流值是元器件能够允许的最大电流，但是，实际情况电流一般不会被允许达到最大电流，所以，元器件电流与最大电流进行比较，可以看出电流的安全系数。比如，最大电流值为418A，而元器件电流为231A，电流的安全系数为1.8左右。
3.4.温度波动
由于IGBT的损耗是周期性变化的，必然导致温度的周期波动性。长期的高温会引
起热应力高，但是温度波动过大也会引起元器件封装疲劳损坏。实际元器件的失效率要高于稳态分析得到的失效率，也就是说，稳定热分析得到的结温T j一般要小于0.8T j,max，为确保安全，实际的结温T j≤0.7∙T j,max。
一般根据上面要求确定元器件的安全工作温度，不用进行瞬态热分析。
4.热分析软件
4.1.软件的作用
从事热分析的软件琳琅满目，选择的范围很广。热分析可以是固体的传热分析，流体的传热分析，或者流体、固体的耦合分析。
所有软件都是采用有限元法对问题进行分析求解，实际的物体都是连续的，而计算机只能处理有限个方程，即计算机是一种离散的系统。所以，必须将连续的物体进行离散化，这种离散是通过一种分割技术完成的，物体被分割为有限个单元，每个单元做为一个独立的空间存在，单元体积越小越能描述物体的细节，但同时计算机需要更多的计算时间。因为，每个单元是由若干个点组成的，每个点对应一组方程，点越多方程组就越多。
通过热分析软件可以帮助我们完成下面工作：
1)分析印制板的温度分布
2)分析封装的热应力
3)分析元器件及散热器的温度
4)分析单元、模块的流场及温度场
5)优化散热器的尺寸及元器件的布局
6)分析并优化机柜的风道结构
热分析做为一种计算机辅助设计（CAE）手段，在产品设计前期使用，因此可以按照工程师的意图进行产品设计，一般为正向设计的必经阶段，实现真正意义上的产品设计及优化。能够降低产品的设计周期，提高一次成功率，减少成本投入。
4.2.分析流程
4.2.1.前处理
前处理指分析软件求解前的准备工作。前处理工作的好坏直接影响求解的时间及结果。具体过程如下：
1)模型准备可以从其他软件导入3D模型，也可以直接由软件建立模型。导入
模型一般更加便捷，但一般要对导入的模型进行处理，建立满足后续工作的拓
扑结构。
2)划分网格网格是CAE的重要环节，网格的种类灵活多样，需要CAE工程师根
据经验采取恰当的划分策略。
3)边界条件网格是由一系列坐标点构成的数据链，CAE软件通过这些点便可以
描绘出模型，网格需要赋予属性及边界条件才能成为有实际意义的物理模型。
4)分析参数分析过程的控制参数需要设定，比如收敛条件、步长、变量初始值。
4.2.2.求解
求解的过程期间可以观察求解方程的残差。残差是指两步求解之间变量的差值。
根据不同的问题，求解的方程组也不同，但都是根据基本的守恒定律，如：
