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本文主要介绍了热数字孪生体的建立方案和应用案例等,希望对你的学习有帮助。
本文来自于微信公账号数字孪生体实验室 ,由火龙果软件Linda译、推荐。 |
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自从1988年诞生了第一款电子散热仿真软件FloTHERM,电子热设计和电子散热仿真就像一对共生体,一直互相依存。电子散热仿真软件,通常把电子散热仿真的分为四个等级,即芯片级,板级,系统级,环境级。我猜想最早这样划分的原因,可能是因为软件希望可以在整个电子散热的生态链的不同企业中,都能找到相应的定位和应用。实际上,如果从物理角度去分析,这么划分也是有一定道理的。对于芯片级别,主要传热方式是传导;而对于板级,传导依然是主要的,不同的是板级上可能存在很多个电子元件,也就是多热源。而到了系统级和环境级,会把对流作为主要的研究对象。
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实际工业应用中,热模型被广泛使用,也同时产生了很多概念。芯片的热模型沿用热阻的概念,通常去定义一个结壳热阻Rthjc,通过测量壳温来评估结温。结壳热模型有很大的局限性,为了实现高精度模拟,仿真软件中,常用双热阻模型、DELPHI模型甚至芯片的详细几何模型。
双热阻模型可以用于粗略的计算,预测的结温和进入板子的热流误差大约为 30%,精度最低。详细模型的精度可以做得很高,但是涉及研发的机密信息,除非双方签署NDA,一般情况下,供应商不会提供。而且详细模型标定复杂,实际仿真的时间也较长。
DELPHI 方法是一种公开的方法,这种方法一直处于JEDEC JC51 协会的标准指导下(JEDEC协会主要是进行定义标准测试和仿真模型等工作)。DELPHI
模型有几个热阻所组成,这些热阻链接了结点(Die)和几个表面节点。同时也允许表面结点之间存在热阻。按照图式一个
DELPHI 简化模型看上去就如下图(一个引线封装的例子)。
![](images/2021062141.jpg)
图一 DELPHI 简化模型结
DELPHI模型误差大概小于10%,相对双热阻模型精度有很大提高,但是DELPHI不能模拟局部热点,也不能模拟瞬态仿真。
![](images/2021062142.jpg)
图二各种热模型的对比
对应DELPHI模型的不足,局部热点问题,通过在DELPHI模型中添加一个节点来模拟(罗姆原创的技术)。
![](images/2021062143.jpg)
图三局部热点处理
在工业4.0的大背景下的电子散热仿真的主要任务,应该是建立电子设备的热数字孪生体(尽管“热数字孪生体”这个概念是刚刚出现的),而热数字孪生体也可以按照电子设备的四个等级来进行相应的分类。这里要强调的是,所谓的热数字孪生体,不仅要求模型和物体在稳态状况下,其物理属性、物理量及相关参数保持一致,更需要的是,在瞬态状况下,其物理属性、物理量及相关参数的变化也要保持一致。
如果在热模型的各个Node上,追加相应的热容信息,那么热模型使用过程中,由于添加了热容信息,可以模拟温度的变化过程,从而在一定程度上实现瞬态仿真。
![](images/2021062144.jpg)
图四瞬态仿真模拟
使用热模型来指导热设计还有一个重要的前提,就是BCI——边界条件无关性。详细模型尝试去描述或重建一个封装的物理模型。因此,详细的模型总是和实际的几何封装很类似。可以认为详细模型是与边界条件无关的;也就是说,如果相关物性参数都已知并完全正确,不管它所处的仿真环境如何变化,详细模型总可以精确预测封装内部不同单元(结,外壳和引脚)的温度。
DELPHI一定程度上是元件在不同边界条件下响应的一种抽取。主要目的是精确的预测封装少数几个部分的温度,例如结,外壳和引脚等等。这就需要通过后期的验证,来实现DELPHI模型的BCI。
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芯片级,板级的热数字孪生体主要的研究对象是材料及材料之间的热传导。而在系统级和环境级的仿真中,传导已经不是传热的主要因素,数字模型的复杂程度几何级别的增长,如果要建立高精度的仿真模型(热数字孪生体),必须结合瞬态热测试技术(热测试技术也可以用来建立芯片级和板级的热数字孪生体,详细请参考公众号中有关热测试的相关专题中的文章)。通过仿真的结构函数和测试的结构函数拟合,从而得到准确的系统物理参数,建立系统级和环境级的热数字孪生体(热模型Calibration技术提高IGBT热仿真精度)。
![](images/2021062145.jpg)
图五双面散热IGBT的热数字孪生建立
热数字孪生体的仿真误差控制在2-3度以内,为热设计的虚拟化创造了有利的条件。整个设计流程中,仿真工作在设计的早期乃至研发的整个过程中,一直驱动整个方案的设计,即使没有原型机,也可以精确预测产品的温度分布,从而缩短研发周期,减低研发成本。
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图六,Denso的热数字孪生体实现热设计虚拟化
DENSO在09年在产品设计中引入仿真,刚开始的时候,仿真工作量非常少,一年以后,仿真和实验各占50%,从10年到15年,花了整整五年的时间去实现设计虚拟化,这时,仿真的工作占比已经高达90%。
在设计过程中,DENSO不断建立并应用热数字孪生体。可以看出,虽然热数字孪生体价值巨大,但是建立过程也是相当困难的。对于系统级和环境级的热数字孪生体,传热因素复杂,定义并标准化这些物理效应,是需要通过大量的基础工作才能实现的。
个人观点,热数字孪生体本质还是知识管理,通过建立热数字孪生体,把研发实践中的知识,封装在热数字孪生体内,从而可以达到知识挖掘,存储,流传,重用等目的,并不断产生新的知识,实现企业智力资产的积累良性循环,逐步形成企业自身的核心竞争力。
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热数字孪生体的巨大价值体现基础应该是电子设备的整个生态系统。
自然界的生态定义为:生物在一定的自然环境下的共存和发展的状态。按照这个思路理解,热数字孪生体的生态就是在企业环境下,各种热数字孪生体应用的协作共存和发展的状态。
![](images/2021062147.jpg)
图七汽车电子的生态系统
以汽车电子的生态为例,从汽车芯片到整车厂,整个生态系统下的企业在竞争中实现一定程度的知识共享,在彼此合作中良性竞争。如果热数字孪生体能在生态系统中得到流转和发展,逐步形成范围内的行业标准甚至全球的行业标准,不但可以推动整个行业技术的快速迭代,而且还可以节约大量的社会资源。
汽车电子只是一个小生态。电子产品的共性,使得从汽车电子的小生态,到整个电子产品的大生态,同样可以共生和发展热数字孪生体技术,甚至会形成整个行业可以共享的知识和数据库,在未来的产品研发中,发挥巨大的作用。 |