Новая разработка ученых поможет быстрее и дешевле спроектировать надежную электронику

Ученые разработали новый подход к моделированию электротепловых процессов в мощных электронных схемах на печатных платах. Они научились быстро и точно рассчитывать, как нагреваются электронные компоненты во время работы, чтобы заранее предотвращать их перегрев и поломку. Результаты работы опубликованы в журнале Russian Microelectronics.

При работе электродвигателей или другого оборудования их электронные детали (особенно транзисторы) сильно нагреваются, потому что при прохождении тока неизбежно выделяется тепло. Когда происходят резкие перепады температуры при включении и выключении устройства, параметры транзисторов меняются, и техника может выйти из строя.

Чтобы этого избежать, важно уметь прогнозировать, как именно будет нагреваться и остывать электронный компонент в реальных условиях работы. Это позволяет правильно спроектировать устройство, условия охлаждения компонентов, снизить нагрузку на элементы и продлить срок службы техники. Особенно остро эта задача стоит для автономного оборудования, которое эксплуатируется вне стационарных условий — на стройках, при ликвидации последствий ЧС, в полевых условиях. Например, передвижные установки с электроприводом, генераторы и системы управления двигателями используются даже там, где организуется аренда полевой кухни на мероприятие — https://osnaz.ru/poleznaya-informaciya/arenda-polevoj-kuhni-na-meropriyatie-v-moskve-i-s-vyezdom-v-oblast при тушении лесных пожаров, восстановлении поврежденных объектов, проведении масштабных выездных работ. В таких условиях отказ силовой электроники из-за перегрева недопустим.

Сегодня для прогнозирования перегрева техники инженеры используют два основных подхода. Первый — подробное численное 3D-моделирование на основе пакетов ANSYS, Flotherm, Comsol и других. Такой метод обеспечивает высокую точность, но требует значительных вычислительных ресурсов и времени. Второй — расчет в SPICE-симуляторах с упрощенными тепловыми моделями. Он выполняется быстрее, но не всегда учитывает реальные особенности конструкции платы и системы охлаждения.

Ученые предложили объединить преимущества обоих методов: Comsol используется для моделирования полупроводниковых приборов, SPICE — для анализа электрической схемы, а «АСОНИКА-ТМ» — для расчета температур компонентов на плате. Дополнительные программные модули автоматизируют передачу данных между системами. В итоге скорость формирования электротепловых моделей выросла в 5–10 раз по сравнению с ручным подходом.

Методику протестировали на плате драйвера шагового двигателя с мощными MOSFET-транзисторами. Результаты моделирования совпали с тепловизионными измерениями, что подтвердило корректность подхода. Новая методика позволяет инженерам быстрее находить слабые места в конструкции, корректировать системы охлаждения и повышать надежность техники — особенно там, где отказ компонентов может привести к серьезным последствиям.