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疊層母線設計的多物理學仿真

在較高頻率切換的IGBT特性的改進已經成為開發更小、更高效電力電子變流器的一個決定性因素北京赛车-首页_Welcome。盡可能低的系統雜散電感對于推動今天最先進的變流器達到其峰值性能至關重要北京赛车-首页_Welcome。
疊層母線(laminatad  busbar)是實現這目標的回應。如果雜散電感保持在非常低的水平,高開關頻率會導致重大的換向損耗;ジ锌梢酝ㄟ^使導線變細并盡可能靠攏而減少。此外,疊層母線可以在個結構中集成電源模塊的所有元件,這將有助于實現成本效益和效率。變流器將更加緊湊,而且更快北京赛车-首页_Welcome、更容易組裝,從而實現最佳的可制造性設計(DFM)。同時北京赛车-首页_Welcome,母線將消除安裝誤差的可能性。相比傳統電纜北京赛车-首页_Welcome,在攜帶同級別的電流時,母線將改善散熱性,并保持轉換器的冷卻效果北京赛车-首页_Welcome?傮w而言,疊層母線為電力電子轉換器設計工程師提供了極大的好處,尤其是在他們的設計在項目的早期階段進行集成的時候北京赛车-首页_Welcome。
MERSEN(原ELDRE)是家定制設計母線的專業廠商擁有超過60年的專業技術。從歷史上看北京赛车-首页_Welcome,產品是在手工計算以及全面技術訣竅的基礎上開發的北京赛车-首页_Welcome。然而北京赛车-首页_Welcome,由于設計變得越來越復雜,分析計算變得不可能解決特別是從熱的角度來看。為了縮短產品上市時間,同時保持一流的質量并控制成本,也就是應用所使用的合適材料和,或厚度北京赛车-首页_Welcome,當開發一個定制疊層母線時,熱仿真成為了一個決定性的工具。
為什么要使用仿真?
確保母線符合其規格的最可靠的方法是建立一個原型并在工作條件下進行測試。但是令人欣慰的解決方案似乎也存在一些缺點北京赛车-首页_Welcome。金屬切割和表面處理對每個設計都是唯一的。用來彎曲某些復雜形狀產品的工具必須要量身訂做。緣材料層必須針對被測試的幾何形狀精心特制。用于疊層裝配的矩陣必須量身訂做北京赛车-首页_Welcome,等等··· ···所有這些增加的成本導致可能無法通過測試驗證的母線的全球價格增加。
建立一個原型也很耗時,因為涉及各種各樣的專門操作,有時可能與客戶的期限是不相容的。一旦原型敲定以后進行,運行測試本身也并不是那么容易,尤其在最糟糕的情況下進行研究北京赛车-首页_Welcome。高溫、復雜或高電流電力客戶條件可能不容易重現北京赛车-首页_Welcome。超大結構不適合于一個典型環境試驗箱(chamber)。因此測試可能變得昂貴北京赛车-首页_Welcome,并增加不必要的學習時間。
這就是仿真是加快開發進程的一個方便工具的理由北京赛车-首页_Welcome。通過增加概念階段的預測試步驟,在經歷原型制造過程之前,可以發現和消除設計上的缺陷北京赛车-首页_Welcome。過熱區域或過度厚實的板材通過計算來確定并不總是明智的做法。
計算機生成的溫度圖非常具有吸引力,也易于理解:“一張圖片勝過1000個單詞”。更令客戶鼓舞的是在訂購一個原型之前得到了初步測試結果,并有個互動的交流來調整其最初的設計。然而北京赛车-首页_Welcome,仿真并不是要完全取代測試。計算結果的
質量只是像輸入數據和基礎物理學的理解一樣北京赛车-首页_Welcome。
仿真過程
 Mersen使用的是COMSOL Multiphysics有限元分析軟件。有限元方法基于本地迭代求解方程,直至達到整體穩定性。其主要長處之在于,它可以用來同時求解模擬不同物理學的偏導數方程北京赛车-首页_Welcome。
COMSOL的結構是個模塊化平臺北京赛车-首页_Welcome,有一個處理典型物理現象的基本版本北京赛车-首页_Welcome,如結構力學、熱轉移北京赛车-首页_Welcome、電流北京赛车-首页_Welcome、層流力學北京赛车-首页_Welcome、聲學,等等  更專業的(可選)模塊范圍從腐蝕研究到等離于體物理學。研究工程師和研究員使用這個工具可以將基本方程控制到深入的水平。
- 大多數仿真開始于由客戶提供的三維幾何模型北京赛车-首页_Welcome,通常是個.stp文件的形式。如果必要的話北京赛车-首页_Welcome,可以修改設計,例如針對間隙或爬電距離,或者如果導電材料的厚度明顯不合適北京赛车-首页_Welcome。某個時候北京赛车-首页_Welcome,可研究幾個可能的幾何形狀。
-正如前面所說北京赛车-首页_Welcome,物理方程是本地求解的北京赛车-首页_Welcome。為了能夠考慮幾何形狀,我們必須把空間域(或在二維問題情況下的表面)劃分成小網格(mesh),對于其結(knot)北京赛车-首页_Welcome,我們將在每次迭代(在靜止研究情況下)和每次(瞬態研究情況下)計算每個研究的變量值。
一個合適的網格是必需的北京赛车-首页_Welcome,因為太粗的網格可能會阻礙仿真的收斂,而且元素和結的數目受系統內存和計算能力的限制。在COMSOL中網格是自動建立的北京赛车-首页_Welcome,這取決于物理模型的使用。然而,在疊層母線的情況下,這種操作有時可能是有問題的北京赛车-首页_Welcome,因為我們正在處理的層非常薄而寬,而沒有計算繪制錯誤。重繪部分和去特色(de-featuring)的原始模型通常需要得到個可利用的網格。
接下來的步驟是非常重要的:定義所涉及的物理學
 在我們的熱仿真情況下,我們的目標是要防止母線達到焦耳熱引起的高溫,例如典型PET極限的105℃或最終客戶設置的極限。
 電流分布是根據客戶的規格確定的。最簡單的模擬方法是計算電流RMS值,并作為直流來處理它們。通過這種方法北京赛车-首页_Welcome,我們可以設置個固定模式的電流再分配北京赛车-首页_Welcome。當電流變得更加復雜時,特別是在經歷不同輸^或輸出的不同頻率的電流情況下,瞬態模型需要準確地考慮這樣的事實,即不同頻率的電流不會直接加起來北京赛车-首页_Welcome。電現象時間尺度(time scale)不同于熱傳遞時間尺度北京赛车-首页_Welcome,在靜止傳熱研究之前北京赛车-首页_Welcome,必須進行瞬態研究來計算電流密度圖。
電流密度可導致熱化北京赛车-首页_Welcome。冷卻通常有三個現象。第一個是導通北京赛车-首页_Welcome,并可通過求解熱傳導方程來實現北京赛车-首页_Welcome。第二個是由斯蒂芬-玻爾茲曼(Stephan-Boltzmann)定律計算的輻射熱轉移。塑料輻射遠遠超過了氧化金屬,其輻射超過了拋光的金屬北京赛车-首页_Welcome。第三是對流北京赛车-首页_Welcome,并不那么直接北京赛车-首页_Welcome。
此外,用流體力學仿真一個完整的空氣容積是可能的,但內存和計算能力可能是昂貴的。捕捉空氣又是非常困難的北京赛车-首页_Welcome,因為空氣網格(air mash)與母線網格必須是連續的。有限元方法不是解決這種問題的最好方法。迅速解決這個問題的最好的方式通常是根據客戶的操作條件來計算依賴于溫度的平均傳熱系數北京赛车-首页_Welcome。
但是,流體力學可通過模擬層流(laminar)在管道中的水流動用于水冷母線的情況北京赛车-首页_Welcome。傳導是指一個水冷母線可使熱遠離電路。
 當然,明確定義的材料特性和電流狀況對運行準確仿真是最重要的。事實上,取決于環境條件(溫度、壓力等)、使用的金屬臺金和介電材料(PET、Nomex、Kapton等),仿真可能明顯不同北京赛车-首页_Welcome。為了實現精確的仿真需要清楚地了解最終應用。
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