1.风冷半导体器件的模拟

风冷半导体器件一般置于机箱或机柜内，而对其模拟一般包括建模、输入条件包括风扇曲线等、热仿真分析及结果处理等。在进行模拟仿真的时候可按照以下步骤进行：建立模型→划分网格→检查气流→求解计算→检查结果。

文献［114］介绍一种航空电子设备，模块布置如图5－4所示，它具有功耗大、体积小的特点，通过FloTHERM软件进行仿真分析，综合考虑了设备的边界条件后，得出了各模块的温度值。通过实测值与仿真值的比较，除功率放大模块和电源模块以外，其他模块表面温度的实测值与仿真值的误差最大为6℃。仿真的误差属于可以接受的范围。

文献［115］采用Icepak软件获得虚拟样机热仿真结果（见图5－5），和实际测量值较接近，最大误差为5.8％。

图5－4 航空电子设备模块布置图

图5－5 电子设备热仿真模型和虚拟样机的温度云图

文献［116］通过Icepak软件对安装于集装箱中的SVG散热系统进行分析与改进。文献［117］通过Icepak软件模拟纯电动汽车水冷电机控制器的热仿真和热分析。

以简单的风冷案例为例。热源和翅片结构如图5－6所示。对于两个CPU热源（50 W）长、宽均分别采用自然冷却和强迫风冷。

图5－6 热源和翅片结构

自然风假定有0.1 m／s的风速，环境风温为25℃。冷却的结果见表5－3。可以看到，自然风冷最高温度为130℃，整个翅片区域温度最低为118℃；强迫风冷最高温度为48.7℃整个翅片区域温度最低为38.9℃。

表5－3 自然冷却和强迫风冷的对比模拟结果

2.水冷板的仿真实例

在第2章和第3章分别介绍了水冷板的设计，本章的热模拟也算是热设计的一种，可以说是水冷板设计的一个补充。模拟方法可以采用均匀发热源模块和多芯片式模块（MCM）发热源；设置和效果见图5－7、图5－8的热源部分。简单热模型（Compacted Thermal Model CTM）指在热模拟中重现器件热行为的一种简单模型［118］。在该热模型中，把发热元件视为单个均匀的发热模块。早期的IGBT热流密度较低，一般学者研究和制作中采用均化热源研究水冷板的发热，采用此种方法，将水流均匀分布到各个细小的流道中去形成均匀冷板，文献［72］和［119］采用了均化热源利用有限元软件ANSYS计算了水冷板的温度分布，其中文献［120］和［121］描述水冷散热的水冷板在均化热源和精确热源的模型中的温差为6～7℃。(www.daowen.com)

（1）网页上的专业企业水冷板

美尔森网页上有个简单的网页选型软件（http：／／www.r－tools.com／）。内容如图5－7所示。

1）基板设计：包括基板的长、宽、厚度。

2）管道布置：包括流体特性、温度、流量；管道排布，分为6种不同的形式；集管的直径和管道直径；进出口的位置，分为4种不同的位置。

3）输入布置：包括热源布置和管道布置。热源布置包括热源（名称、功率、结壳热阻）、界面状况（可以采用热阻、热阻抗、导热率和厚度比三种形式）、热源位置三个部分。

4）设计输出：提供设计温度分布云图、结论和设计概要。

（2）CFD软件模拟

文献［122］记载了采用Fluent软件对牵引变流器的关键器件IGBT模块热管模拟，分析了其流速和温度的分布特点及热管性能。

图5－7 水冷板热设计选型软件内容

采用CFD软件模拟水冷板的案例很多。目前世界通用的有限元热分析软件有MARC ANSYS、FloTHERM和FLoEFD。其中采用ANSYS－Fluent、ANSYS－Icepak软件的研究文献较多。

图5－8和图5－9中为ANSYS－Fluent模拟的案例，可以看出，均匀发热源模块的温度分布远比详细热模型（Detailed Thermal Model，DTM）发热源要均匀，同时局部温度要低［123］。

图5－8 均匀发热模型和DCM热源模型

图5－9 均匀发热模型和DCM热源模型的温度场云图