本技術(shù)涉及相變材料的，具體的涉及一種用于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)熱管理的相變傳熱系統(tǒng)及模擬檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置和電氣系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域。在車輛制造領(lǐng)域，電動(dòng)汽車在世界各國得到了廣泛普及。從2010年到2021年，全球電動(dòng)乘用車數(shù)量從0.017百萬輛增加到16.267百萬輛，車輛上安裝的電子設(shè)備也在迅速發(fā)展。目前，該領(lǐng)域的功率半導(dǎo)體主要由基于硅的絕緣柵雙極晶體管(igbts)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfets，mosfet)主導(dǎo)。然而，這些基于硅的半導(dǎo)體存在固有的限制，如高開關(guān)損耗和有限的開關(guān)速度。最新的碳化硅(sic)基半導(dǎo)體材料因其較高的導(dǎo)熱性、更快的開關(guān)速度和更好的高溫抗性而被認(rèn)為是未來可能廣泛使用的高性能半導(dǎo)體材料。對(duì)于始終在惡劣環(huán)境中工作的航空航天應(yīng)用，與普通的基于硅的功率半導(dǎo)體相比，基于sic的功率半導(dǎo)體具有更好的電壓承受能力、更快的響應(yīng)能力和對(duì)極端溫度更好的適應(yīng)性。

2、研究發(fā)現(xiàn)芯片溫度每升高10℃，故障率就會(huì)翻倍。半導(dǎo)體模塊的冷卻方法分為空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻和熱管冷卻。對(duì)于空氣冷卻，由于半導(dǎo)體的工作條件較差，例如在車輛應(yīng)用中，半導(dǎo)體器件安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，溫度可能高達(dá)150℃，并且在通常情況下，用于車輛和航空航天領(lǐng)域的電子設(shè)備模塊都是高度密封的，因此空氣冷卻的散熱策略并不實(shí)用。在液體冷卻方面，由于系統(tǒng)體積龐大，需要額外的能源供應(yīng)，最重要的是，作為一種主動(dòng)冷卻方式，這種冷卻策略需要額外的維護(hù)，這與對(duì)可靠性要求極高的航空領(lǐng)域的需求不符。熱管冷卻由于具有高導(dǎo)熱性和低溫差而成為理想的散熱策略；然而，由于其成本高、易堵塞和尺寸有限等缺點(diǎn)，其在實(shí)際使用中仍有很多限制。對(duì)于相變冷卻，溫度的升高會(huì)觸發(fā)相變材料(pcm)熔化，導(dǎo)致相變。這個(gè)過程涉及大量熱量的吸收，可以有效地調(diào)節(jié)溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電子芯片以高功率和滿載運(yùn)行時(shí)，隨著其熱通量的增加，其溫度會(huì)迅速上升。當(dāng)溫度上升到pcm的相變溫度時(shí)，pcm通過相變吸收熱量，使電子芯片在一段時(shí)間內(nèi)保持在這個(gè)溫度。如果電子芯片只在短時(shí)間內(nèi)以高功率狀態(tài)運(yùn)行，pcm可以有效地防止電子芯片的溫度達(dá)到閾值。這種冷卻策略緊湊且輕便。同時(shí)，這種被動(dòng)冷卻策略具有維護(hù)成本低和故障率低的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種添加pcm和鰭片提高熱管理潛力，從而提高芯片散熱性能的用于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管熱管理的相變傳熱系統(tǒng)。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本技術(shù)采用的技術(shù)方案為：一種用于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管熱管理的相變傳熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括系統(tǒng)容器，所述的系統(tǒng)容器上設(shè)置有多個(gè)鰭片，所述的多個(gè)鰭片形成第一容置腔和第二容置腔，所述的第二容置腔上形成有第三容置腔；所述的第一容置腔和第二容置腔內(nèi)設(shè)置有相變材料，所述的第三容置腔內(nèi)設(shè)置有金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管四周側(cè)壁和底面被所述的第三容置腔包覆。

3、采用上述方案，本技術(shù)通過將相變材料容置在系統(tǒng)內(nèi)，獲得一種具有相變材料的相變傳熱系統(tǒng)，可以通過相變材料的性能對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行有效的降溫，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，占有的體積小；此外，本技術(shù)在系統(tǒng)容器內(nèi)設(shè)置多個(gè)鰭片結(jié)構(gòu)，然后將相變材料設(shè)置在鰭片形成的容置腔內(nèi)，這樣可以使得相變材料充分而均衡的分布在容器內(nèi)，可以對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfets，mosfet)起到更加理想的散熱效果，提高其散熱性能；而且這種鰭片結(jié)構(gòu)還可以使得容器內(nèi)容置更多的獨(dú)立的相變材料，進(jìn)一步的提高散熱性能。

4、進(jìn)一步的，所述的系統(tǒng)容器的橫截面為正方形、長(zhǎng)方形或者圓形，采用上述結(jié)構(gòu)，均可以實(shí)現(xiàn)與相變材料之間的容置，賦予系統(tǒng)相變材料降溫的性能；此外，更為重要的是，多種形狀的采用可以提高系統(tǒng)的適配效率，滿足不同使用環(huán)境的需要。

5、進(jìn)一步的，所述的橫截面為正方形、長(zhǎng)方形或者圓形的系統(tǒng)容器的體積基本相同(體積大小基本相當(dāng))；采用該方案，可以保證無論哪種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，均可以維持穩(wěn)定的占用空間。

6、更進(jìn)一步的，所述的系統(tǒng)容器的橫截面為長(zhǎng)方形，采用該結(jié)構(gòu)，其空間利用效率以及δt的相對(duì)較小差異，而且長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛適用。

7、進(jìn)一步的，所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管與所述的相變材料之間不直接接觸；具體的，將金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管與相變材料通過鰭片進(jìn)行隔離，這樣可以防止pcm在相變過程與mosfet的直接接觸而導(dǎo)致其對(duì)mosfet的腐蝕。

8、更進(jìn)一步的，所述的第二容置腔和第三容置腔上下對(duì)正設(shè)置，所述的第二容置腔和第三容置腔之間設(shè)置有銅片，所述的銅片位于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的底部；采用該結(jié)構(gòu)，cu片被放置在pcm與mosfet之間，其作用為防止pcm與mosfet的直接接觸而導(dǎo)致的對(duì)mosfet的腐蝕；同時(shí)，cu片還能更加均勻的將mosfet產(chǎn)生的熱量傳遞至其下部的pcm和鰭片上，實(shí)現(xiàn)有效的散熱。

9、更進(jìn)一步的，所述的第一容置腔環(huán)繞所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的周向，所述的第二容置腔位于所述的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的下方；采用該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)相變材料的全覆蓋，并且盡可能多的容置相變材料，實(shí)現(xiàn)更加理想的散熱效果。

10、進(jìn)一步的，所述的系統(tǒng)容器的材料為cu、al或者ag中的一種。

11、更進(jìn)一步的，所述的系統(tǒng)容器的材料為cu，銅作為框架材料的mosfet/pcm系統(tǒng)具有最佳的熱管理能力。

12、進(jìn)一步的，所述的pcm的類型為rt69hc、rt70hc、rt80hc、rt82中的一種。

13、更進(jìn)一步的，所述的pcm的類型為pcm-rt69hc，該類型可以為系統(tǒng)提供最佳的熱管理能力。

14、本技術(shù)還提供一種針對(duì)上述用于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管熱管理的相變傳熱系統(tǒng)的模擬測(cè)試方法，具體的步驟包括：

15、(1)首先通過本技術(shù)的mosfet結(jié)構(gòu)，建立mosfet/pcm系統(tǒng)的3d模型；

16、(2)數(shù)值模型：在模擬包含pcm(相變材料)的mosfet系統(tǒng)的加熱和冷卻過程時(shí)，考慮連續(xù)性、能量和動(dòng)量原理；此外，cfd(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬以boussinesq近似作為其基礎(chǔ)，控制連續(xù)性和動(dòng)量的方程在方程(1-5)中給出:

17、

18、

19、其中sx，sy和sz分別代表x、y和z方向上的動(dòng)量源項(xiàng)，這些動(dòng)量源項(xiàng)是為考慮對(duì)流的相變過程而適當(dāng)定制的；其中u、v和w分別代表x、y和z方向上的速度；變量t表示時(shí)間，ρ表示密度，p表示性能得分，μ表示動(dòng)力粘度，g表示重力加速度，β表示熱膨脹系數(shù)；t代表溫度，常數(shù)amushy，也稱為糊狀區(qū)常數(shù)，范圍在104到107之間，用于ansys?fluent中的焓孔隙率技術(shù)；在此上下文中，amushy的值被選為105，λ表示液體體積分?jǐn)?shù)，ε是一個(gè)常數(shù)，用于防止方程中出現(xiàn)除以零的情況；在本技術(shù)中，ε被賦值為0.001；

20、能量方程由公式(6)給出：

21、

22、其中，比焓h＝h+δh,h表示顯焓，而k代表熱導(dǎo)率。δh表示pcm的潛熱含量，href和tref分別是pcm的參考焓和參考溫度。cp表示比熱容，l表示潛熱；鑒于在pcm的充電和放電過程中，工作溫度的變化可能會(huì)觸發(fā)顯著的相變，液體分?jǐn)?shù)λ被設(shè)計(jì)為根據(jù)特定的關(guān)系隨溫度變化，具體如下所示：如果tpcm<tsolidus，λ＝0。如果tpcm>tliquidus,λ＝1。如果tsolidus<tpcm<tliquidus，

23、(3)模擬設(shè)置：在本次數(shù)值研究中，使用cfd軟件ansys2022r2來模擬mosfet系統(tǒng)的熱行為，mosfet系統(tǒng)的3d模型由3d建模軟件solidworks?2022建立，并導(dǎo)入到ansys2022r2workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分；在模擬設(shè)置中，選擇了瞬態(tài)模擬以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)mosfet加熱過程中整個(gè)系統(tǒng)的溫度變化；由于存在相變過程，熱傳遞模型中考慮了能量，并根據(jù)先前的假設(shè)，為層流條件配置了粘性模型；鑒于pcm固有的相變過程，已相應(yīng)地激活了固化和熔化功能。在瞬態(tài)模擬的求解階段，選擇了piso方法作為首選的求解策略。對(duì)于有限體積法(fvm)，選擇了交錯(cuò)網(wǎng)格布局。對(duì)于動(dòng)量和能量計(jì)算，采用了二階迎風(fēng)方案，而presto方案則用于求解壓力方程；在求解控制設(shè)置中，已經(jīng)為各種物理量分配了松弛因子。

24、進(jìn)一步的，所述的步驟(3)中涉及的壓力、密度、體力、動(dòng)量、液相分?jǐn)?shù)和能量的松弛因子分別設(shè)置為0.3、1、1、0.7、0.9和1；對(duì)于收斂準(zhǔn)則，能量殘差設(shè)置為10-6，而其他所有殘差都設(shè)置為10-4作為達(dá)到滿意解的閾值。

25、本技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

26、1.本技術(shù)在mosfet中引入相變材料和鰭片結(jié)構(gòu)，填充了pcm的mosfet溫度變化曲線的斜率明顯更小，這是因?yàn)閜cm吸收了大量的相變潛熱，抑制了溫度的快速上升；與未填充pcm的系統(tǒng)相比，pcm的集成在減少系統(tǒng)內(nèi)部溫度差異方面顯示出了有利的影響，因此，pcm在mosfet加熱模擬的相變過程中具有有效調(diào)節(jié)溫度的能力；此外，通過與沒有pcm的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行比較，可以證明pcm能夠降低系統(tǒng)內(nèi)的δt。所以，本技術(shù)的結(jié)構(gòu)將pcm(相變材料)集成到mosfet/pcm系統(tǒng)中對(duì)于提高系統(tǒng)的散熱效率具有重要意義，與沒有pcm填充的系統(tǒng)相比，它不僅降低了系統(tǒng)的整體溫度，還緩解了系統(tǒng)內(nèi)的溫度變化。

27、2.本技術(shù)的系統(tǒng)采用了三種不同形狀的系統(tǒng)，顯示了在三種形狀的mosfet/pcm系統(tǒng)中，圓形系統(tǒng)中mosfet的內(nèi)部δt最小，為12.44℃，方形系統(tǒng)中的δt居中，為12.54℃，而矩形系統(tǒng)的δt最大，為12.65℃，比最小的圓形系統(tǒng)大1.69％；三個(gè)形狀系統(tǒng)的δt從小到大的順序與它們側(cè)面積從小到大的順序一致，在幾乎相同的體積下，正方形系統(tǒng)中的mosfet在模擬結(jié)束時(shí)表現(xiàn)出的平均溫度(tavg)最高，達(dá)到190℃，圓形和矩形系統(tǒng)中mosfet的tavg值幾乎相同，大約為185℃。雖然圓形系統(tǒng)的溫差(δt)最小，為12.44℃，因此，較大的系統(tǒng)側(cè)面積可能會(huì)加劇系統(tǒng)內(nèi)的δt；但是，與圓形系統(tǒng)相比，矩形系統(tǒng)在實(shí)際使用中具有更高的空間利用率，以及δt的相對(duì)較小差異，矩形系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛適用。

28、3.本技術(shù)的系統(tǒng)采用了不同類型的pcm在mosfet/pcm系統(tǒng)中，mosfet的tavg具有相似的變化趨勢(shì)，這種變化分為三個(gè)階段，取決于之前提到的斜率；其中，在模擬的前1.5分鐘內(nèi)，四條tavg曲線在第一階段幾乎重疊，即在這個(gè)階段，pcm完全處于固態(tài)，這意味著pcm尚未開始相變，也沒有吸收相變的潛熱；四種不同類型的pcm對(duì)熱管理的貢獻(xiàn)都非常低，四個(gè)實(shí)驗(yàn)組的變量幾乎可以忽略不計(jì)；進(jìn)入第二階段，四個(gè)系統(tǒng)中mosfet的tavg曲線開始分散，使用相變溫度較低的pcm的mosfet具有較低的tavg，pcm-rt69hc為系統(tǒng)提供了最佳的熱管理能力。

29、4.本技術(shù)的系統(tǒng)的容器的材料采用了四種，其中使用cu作為框架材料的系統(tǒng)表現(xiàn)出最低的δt值，為12.18℃。緊隨其后的是ag實(shí)驗(yàn)組，其δt為12.2℃。接下來，使用al作為框架的mosfet/pcm系統(tǒng)的δt比前一個(gè)高出0.46℃。以fe為框架的實(shí)驗(yàn)組具有最高的δt值，達(dá)到14.16℃，比cu實(shí)驗(yàn)組觀察到的最低δt值高出16.26％。這也是因?yàn)閏u具有更好的熱導(dǎo)率，可以更有效地防止熱量積聚，從而在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生更小的δt。因此，由于cu出色的熱管理能力，在后續(xù)實(shí)際應(yīng)用中可以選擇cu作為mosfet/pcm系統(tǒng)的框架材料。

30、5.在本技術(shù)的模擬方法中，根據(jù)內(nèi)部材料的不同，sic?mosfet被劃分為不同的區(qū)域，然后使用ansys軟件模擬mosfet內(nèi)部區(qū)域的加熱條件。同時(shí)，以往的研究缺乏對(duì)基于pcm和鰭片的冷卻系統(tǒng)材料的研究。同時(shí)，在本次數(shù)值研究中，證實(shí)了sic?mosfet系統(tǒng)中添加pcm和鰭片的熱管理潛力。在此基礎(chǔ)上，件詳細(xì)探討了系統(tǒng)形狀、具有不同熱物理性質(zhì)的pcm、鰭片材料和傳熱系數(shù)等變量對(duì)sic?mosfet系統(tǒng)散熱性能的影響。

31、6.本技術(shù)的這種檢測(cè)模擬方法，可以篩選出形狀、結(jié)構(gòu)和材料最為理想的相變傳熱系統(tǒng)，為具有更加理想的散熱性能的相變傳熱系統(tǒng)的篩選提供一種方法，可以更加方便快速的獲得理想結(jié)構(gòu)和材料的相變傳熱系統(tǒng)。