一种基于SolidWorksFlowSimulation的SiC功率分析方法与流程

一种基于solidworks flow simulation的sic功率分析方法
技术领域
1.本发明涉及功率模块的仿真分析技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于solidworks flow simulation的sic功率分析方法。


背景技术：

2.新能源电机控制器是控制动力电源与驱动电机之间能量传输的装置，是驱动系统的核心组成，一般由三分部分组成：电子控制模块、驱动器、功率模块，其中功率模块负责将直流转变为交流，控制电机运动，功率模块的核心为半导体芯片，如igbt或sic器件、igbt，绝缘栅双极型晶体管，具有输入阻抗高、饱和电压低、开关速度快、反向恢复时间短等显著优点，广泛应用于风能、轨道交通、太阳能、智能电网、电动汽车、家电变频等领域，相比于igbt器件，sic器件导通电阻更低，芯片尺寸更小，热导率更高，工作频率更高，具备更高的工作温度，被认为是未来igbt的升级替代品，此同时由于sic工作频率高，单位体积功耗依然很高，若不能将其产生的热量及时散发出去，将导致sic结温过高，不仅影响其工作性能，而且可靠性大大降低，寿命缩短，极端恶劣情况下甚至直接失效。
3.功率模块的散热系统常常采用液冷的冷却方式，在该冷却方式下，芯片通过dbc(覆铜陶瓷基板)依附于散热器，散热器内部通有冷却液，芯片产生的热量最终由散热器中的冷却液带走，散热系统的优劣可以用热阻来进行评判，为保证sic功率模块的散热效率，需要在设计阶段对芯片结温进行仿真评估，验证散热方案的可行性；同时计算热阻和流阻，对散热系统的优劣进行评判，由于制作样件进行试验验证存在周期长、成本高等问题，目前常用计算流体力学软件对芯片结温进行仿真计算，该方法不仅可以得到功率模块温度场，还能得到体现冷却液流动状态的流场，并且可以通过后处理以云图的方式显示出来。
4.现有技术存在以下缺点：计算流体力学软件均为独立的仿真分析软件，无法与三维设计软件进行无缝连接，此外在三维模型的保存和导入过程中，可能会出现三维模型失真、导入错误、几何破面等问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于solidworks flow simulation的sic功率分析方法，利用嵌入于三维设计软件solidworks中的solidworks flow simulation直接进行仿真分析，壁面三维模型的导入和导出，提高仿真分析效率，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于solidworks flow simulation的sic功率模块，包括sic芯片晶元，所述sic芯片晶元的底部设有覆铜陶瓷基板，所述覆铜陶瓷基板的底部设有焊接层，所述焊接层的底部设有散热器，所述散热器的底部设有水道壳体，所述水道壳体的两端均进水口管道，所述水道壳体的内部设有冷却液网格控制体积。
7.作为优选，所述覆铜陶瓷基板的内部顶端设有顶层，所述覆铜陶瓷基板的中间设
有中间层，所述覆铜陶瓷基板的内部底端设有底层。
8.作为优选，所述进水口管道关于水道壳体的竖直中心线对称，所述散热器的底面与水道壳体的顶面相贴合。
9.一种基于solidworks flow simulation的sic功率分析方法，具体步骤如下：
10.步骤一：建立简化的sic功率模块仿真计算模型：
11.(1)建立简化的芯片模型，忽略键合线、引脚、塑封材料等结构，依据芯片规格书上的二维图纸建立晶元的三维几何模型；
12.(2)删除对散热影响较小的螺钉、垫片等零部件；
13.(3)简化其他零配件的三维数模，对小尺寸的圆角、倒角等特征进行压缩。
14.(4)建立并装配一端封闭的进出口管道，管道长度为20倍的进出口内径。
15.步骤二：进行仿真项目向导设置：
16.(1)在flow simulation工具栏中单击向导，在弹出的对话框中输入项目名称；
17.(2)选择单位系统并进行单位设置，单位系统为si(m
·
kg
·
s)，温度的单位设置为℃，体积流量的单位设置为l/min；
18.(3)设置分析类型，分析类型为内部，并勾选“固体内热传导”、“排除不具备流动的腔”；
19.(4)设置默认流体，新建冷却液材料参数，并输入材料参数，将其添加至默认流体区域；
20.(5)设置默认固体，默认固体设置为绝缘体；
21.(6)设置外壁面边界条件，保持默认设置；
22.(7)置初始条件后点击“完成”完成向导设置。
23.步骤三：定义材料属性。
24.步骤四：定义边界条件：
25.(1)定义入口边界条件，选中进口管道封闭端的内表面，边界条件类型为入口体积流量，定义体积流量q＝3.8l/min，热动力参数中，温度设置为65℃；
26.(2)定义出口边界条件，选中出口管道封闭端的内表面，定义为静压边界条件。
27.步骤五：定义热源和接触热阻：
28.(1)定义热源：选中所有晶元实体，输入功率模块总的热损耗pa；
29.(2)定义接触热阻：选中所有晶元实体的下表面，定义接触热阻，类型为“材料/厚度”，厚度为0.1mm。
30.步骤六：定义目标：
31.(1)定义进出口静压及压差：利用插入表面目标功能，分别选中进出口管道封闭端的内表面，定义进口静压pi和出口静压po；
32.(2)定义进出口温度及温差：利用插入表面目标功能，分别选中进出口管道封闭端的内表面，定义进口温度ti和出口温度to；
33.(3)定义芯片结温：利用插入体积目标功能，选中所有sic芯片晶元，定义芯片结温t
max
；
34.(4)定义热阻：利用插入方程目标功能，定义芯片结-冷却液的热阻r
jf
。
35.步骤七：网格划分设置：
36.(1)全局网格设置：全局网格细化级别设置为4级；
37.(2)冷却液网格控制体的网格设置：新建零件“冷却液网格控制体”，填充水道壳体中的冷却液腔室，插入局部网格1，选中冷却液网格控制体，勾选“禁用固体组件”，定义流体网格的细化级别为5级，固体以及固体和流体接触面的网格细化界别为4级；
38.(3)sic芯片晶元、覆铜陶瓷基板、焊接层、散热器的网格设置：插入局部网格2，选中sic芯片晶元、覆铜陶瓷基板、焊接层、散热器，定义固体以及固体和流体接触面的网格细化界别为4级；
39.(4)水道壳体的网格设置：插入局部网格3，选中水道壳体，定义固体以及固体和流体接触面的网格细化界别为3级。
40.步骤八：运行项目求解：单击工具栏上的运行按钮，在弹出对话框中点击运行，启动仿真计算。
41.本发明的技术效果和优点：
42.一种基于solidworks flow simulation的sic功率模块芯片结温、热阻、流阻的仿真分析方法，利用嵌入于三维设计软件solidworks中的solidworks flow simulation直接进行仿真分析，与三维设计软件无缝连接，避免三维模型的导入和导出，本发明通过网格精度级别设置，寻求求解精度和效率间的平衡点，网格无需手动划分，由软件自动划分，且仿真计算结果精度较高，与试验结果误差在5℃以内，完全适用于工业应用场合，同时流程固定，求解的收敛性好，仿真过程稳定，通过监视求解器窗口观察求解情况，并在求解结束后直接读出芯片结温、热阻、流阻，可通过后处理显示温度云图和流动迹线图。
附图说明
43.图1为本发明的仿真分析方法流程图。
44.图2为本发明的功率模块整体立体结构示意图。
45.图3为本发明的功率模块整体结构爆炸图。
46.图4为本发明的功率模块整体剖视结构示意图。
47.图5为本发明的功率模块局部剖视结构示意图。
48.附图标记：1、sic芯片晶元；2、覆铜陶瓷基板；201、顶层；202、中间层；203、底层；3、焊接层；4、散热器；5、水道壳体；6、进水口管道；7、冷却液网格控制体积。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.实施例：
51.一种基于solidworks flow simulation的sic功率模块，包括sic芯片晶元1，sic芯片晶元1的底部设有覆铜陶瓷基板2，覆铜陶瓷基板2的底部设有焊接层3，焊接层3的底部设有散热器4，散热器4的底部设有水道壳体5，水道壳体5的两端均进水口管道6，水道壳体5的内部设有冷却液网格控制体积7。
52.进一步的，覆铜陶瓷基板2的内部顶端设有顶层201，覆铜陶瓷基板2的中间设有中间层202，覆铜陶瓷基板2的内部底端设有底层203。
53.进一步的，进水口管道6关于水道壳体5的竖直中心线对称，散热器4的底面与水道壳体5的顶面相贴合。
54.一种基于solidworks flow simulation的sic功率分析方法，具体步骤如下：
55.步骤一：建立简化的sic功率模块仿真计算模型：
56.(1)建立简化的芯片模型，忽略键合线、引脚、塑封材料等结构，依据芯片规格书上的二维图纸建立晶元的三维几何模型；
57.(2)删除对散热影响较小的螺钉、垫片等零部件；
58.(3)简化其他零配件的三维数模，对小尺寸的圆角、倒角等特征进行压缩。
59.(4)建立并装配一端封闭的进出口管道，管道长度为20倍的进出口内径。
60.步骤二：进行仿真项目向导设置：
61.(1)在flow simulation工具栏中单击向导，在弹出的对话框中输入项目名称；
62.(2)选择单位系统并进行单位设置，单位系统为si(m
·
kg
·
s)，温度的单位设置为℃，体积流量的单位设置为l/min；
63.(3)设置分析类型，分析类型为内部，并勾选“固体内热传导”、“排除不具备流动的腔”；
64.(4)设置默认流体，新建冷却液材料参数，并输入材料参数，将其添加至默认流体区域；
65.(5)设置默认固体，默认固体设置为绝缘体；
66.(6)设置外壁面边界条件，保持默认设置；
67.(7)置初始条件后点击“完成”完成向导设置。
68.步骤三：定义材料属性：具体如下表
[0069][0070]
步骤四：定义边界条件：
[0071]
(1)定义入口边界条件，选中进口管道封闭端的内表面，边界条件类型为入口体积流量，定义体积流量q＝3.8l/min，热动力参数中，温度设置为65℃；
[0072]
(2)定义出口边界条件，选中出口管道封闭端的内表面，定义为静压边界条件。
[0073]
步骤五：定义热源和接触热阻：
[0074]
(1)定义热源：选中所有晶元实体，输入功率模块总的热损耗pa，某工况下单个芯片的损耗为pu＝95w，所以总损耗pa＝12pu＝1140w；
[0075]
(2)定义接触热阻：选中所有晶元实体的下表面，定义接触热阻，类型为“材料/厚度”，厚度为0.1mm。
[0076]
步骤六：定义目标：
[0077]
(1)定义进出口静压及压差：利用插入表面目标功能，分别选中进出口管道封闭端的内表面，定义进口静压pi和出口静压po，参数类型为平均值，而后利用插入方程目标功能定义流阻dp＝pi-po；
[0078]
(2)定义进出口温度及温差：利用插入表面目标功能，分别选中进出口管道封闭端的内表面，定义进口温度ti和出口温度to，参数类型为平均值，而后利用插入方程目标功能
定义温差dt＝t
o-ti；
[0079]
(3)定义芯片结温：利用插入体积目标功能，选中所有sic芯片晶元，定义芯片结温t
max
，参数类型为最大值，表示所有芯片结温的最大值；
[0080]
(4)定义热阻：利用插入方程目标功能，定义芯片结-冷却液的热阻r
jf
，r
jf
＝(t
max-(ti to)/2)/pu。
[0081]
步骤七：网格划分设置：
[0082]
(1)全局网格设置：全局网格细化级别设置为4级；
[0083]
(2)冷却液网格控制体的网格设置：新建零件“冷却液网格控制体”，填充水道壳体中的冷却液腔室，插入局部网格1，选中冷却液网格控制体，勾选“禁用固体组件”，定义流体网格的细化级别为5级，固体以及固体和流体接触面的网格细化界别为4级；
[0084]
(3)sic芯片晶元1、覆铜陶瓷基板2、焊接层3、散热器的网格设置：插入局部网格2，选中sic芯片晶元1、覆铜陶瓷基板2、焊接层3、散热器4，定义固体以及固体和流体接触面的网格细化界别为4级；
[0085]
(4)水道壳体的网格设置：插入局部网格3，选中水道壳体5，定义固体以及固体和流体接触面的网格细化界别为3级。
[0086]
步骤八：运行项目求解：单击工具栏上的运行按钮，在弹出对话框中点击运行，启动仿真计算。
[0087]
步骤九：结果后处理：
[0088]
(1)在监视求解器窗口中可以查看p6中定义的求解目标的数值，由图可知，在该实施例中芯片结温为140.℃，结-冷却液的热阻为0.764℃/w。进一步的，通过理论计算公式(其中c和ρ分别为冷却液的比热容和密度)计算得到出口温度理论值，将其与仿真结果对比，初步判断仿真分析结果的正确性；
[0089]
(2)显示温度云图：利用插入表面图的功能，选中sic芯片晶元1、覆铜陶瓷基板2、散热器4表面，在等高线选项中选择温度固体选项，显示温度云图；可以通过观察云图来研究芯片的温度分布情况，是否存在局部过热情况；
[0090]
(3)显示流动迹线图。利用插入流动迹线图的功能，选中进口管道封闭端内表面，颜色标准选择为速度，可以通过观察流动迹线图，研究冷却液中是否存在流动缓慢区域，为散热优化提供指导方向。
[0091]
进一步的，步骤九中判断依据为出口温度理论计算结果为69.97℃，仿真计算结果为69.92℃，两者几乎一致，初步判断仿真结果是可信的。
[0092]
进一步的，步骤五中材料参数为：焊接层3材料为焊锡，导热系数为25w/(m
·
k)，密度为11011kg/m3，比热容为195j/(kg/k)。
[0093]
进一步的，步骤二中设置初始条件时，热动力参数中的温度和固体参数中的初始固体温度均设置为65度。
[0094]
本发明工作原理：
[0095]
参照说明书附图1-5，一种基于solidworks flow simulation的sic功率模块芯片结温、热阻、流阻的仿真分析方法，利用嵌入于三维设计软件solidworks中的solidworks flow simulation直接进行仿真分析，与三维设计软件无缝连接，避免三维模型的导入和导
出，本发明通过网格精度级别设置，寻求求解精度和效率间的平衡点，网格无需手动划分，由软件自动划分，且仿真计算结果精度较高，与试验结果误差在5℃以内，完全适用于工业应用场合，同时流程固定，求解的收敛性好，仿真过程稳定，通过监视求解器窗口观察求解情况，并在求解结束后直接读出芯片结温、热阻、流阻，可通过后处理显示温度云图和流动迹线图。
[0096]
最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
[0097]
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
[0098]
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。