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          叠层母线设计的多物理学仿真

          在较高频率切换的IGBT特性的改进已经成为开发更小、更高效电力电子变流器的一个决定性因素。尽可能低的系统杂散电感对于推动今天最先进的变流器达到其峰值性能至关重要。
          叠层母线(laminatad  busbar)是实现这目标的回应。如果杂散电感保持在非常低的水平,高开关频率会导致重大的换向损耗。互感可以通过使导线变细并尽可能靠拢而减少。此外,叠层母线可以在个结构中集成电源模块的所有元件,这将有助于实现成本效益和效率。变流器将更加紧凑,而且更快、更容易组装,从而实现最佳的可制造性设计(DFM)。同时,母线将消除安装误差的可能性。相比传统电缆,在携带同级别的电流时,母线将改善散热性,并保持转换器的冷却效果。总体而言,叠层母线为电力电子转换器设计工程师提供了极大的好处,尤其是在他们的设计在项目的早期阶段进行集成的时候。
          MERSEN(原ELDRE)是家定制设计母线的专业厂商拥有超过60年的专业技术。从历史上看,产品是在手工计算以及全面技术诀窍的基础上开发的。然而,由于设计变得越来越复杂,分析计算变得不可能解决特别是从热的角度来看。为了缩短产品上市时间,同时保持一流的质量并控制成本,也就是应用所使用的合适材料和,或厚度,当开发一个定制叠层母线时,热仿真成为了一个决定性的工具。
          为什么要使用仿真?
          确保母线符合其规格的最可靠的方法是建立一个原型并在工作条件下进行测试。但是令人欣慰的解决方案似乎也存在一些缺点。金属切割和表面处理对每个设计都是唯一的。用来弯曲某些复杂形状产品的工具必须要量身订做。缘材料层必须针对被测试的几何形状精心特制。用于叠层装配的矩阵必须量身订做,等等··· ···所有这些增加的成本导致可能无法通过测试验证的母线的全球价格增加。
          建立一个原型也很耗时,因为涉及各种各样的专门操作,有时可能与客户的期限是不相容的。一旦原型敲定以后进行,运行测试本身也并不是那么容易,尤其在最糟糕的情况下进行研究。高温、复杂或高电流电力客户条件可能不容易重现。超大结构不适合于一个典型环境试验箱(chamber)。因此测试可能变得昂贵,并增加不必要的学习时间。
          这就是仿真是加快开发进程的一个方便工具的理由。通过增加概念阶段的预测试步骤,在经历原型制造过程之前,可以发现和消除设计上的缺陷。过热区域或过度厚实的板材通过计算来确定并不总是明智的做法。
          计算机生成的温度图非常具有吸引力,也易于理解:“一张图片胜过1000个单词”。更令客户鼓舞的是在订购一个原型之前得到了初步测试结果,并有个互动的交流来调整其最初的设计。然而,仿真并不是要完全取代测试。计算结果的
          质量只是像输入数据和基础物理学的理解一样。
          仿真过程
           Mersen使用的是COMSOL Multiphysics有限元分析软件。有限元方法基于本地迭代求解方程,直至达到整体稳定性。其主要长处之在于,它可以用来同时求解模拟不同物理学的偏导数方程。
          COMSOL的结构是个模块化平台,有一个处理典型物理现象的基本版本,如结构力学、热转移、电流、层流力学、声学,等等  更专业的(可选)模块范围从腐蚀研究到等离于体物理学。研究工程师和研究员使用这个工具可以将基本方程控制到深入的水平。
          - 大多数仿真开始于由客户提供的三维几何模型,通常是个.stp文件的形式。如果必要的话,可以修改设计,例如针对间隙或爬电距离,或者如果导电材料的厚度明显不合适。某个时候,可研究几个可能的几何形状。
          -正如前面所说,物理方程是本地求解的。为了能够考虑几何形状,我们必须把空间域(或在二维问题情况下的表面)划分成小网格(mesh),对于其结(knot),我们将在每次迭代(在静止研究情况下)和每次(瞬态研究情况下)计算每个研究的变量值。
          一个合适的网格是必需的,因为太粗的网格可能会阻碍仿真的收敛,而且元素和结的数目受系统内存和计算能力的限制。在COMSOL中网格是自动建立的,这取决于物理模型的使用。然而,在叠层母线的情况下,这种操作有时可能是有问题的,因为我们正在处理的层非常薄而宽,而没有计算绘制错误。重绘部分和去特色(de-featuring)的原始模型通常需要得到个可利用的网格。
          接下来的步骤是非常重要的:定义所涉及的物理学
           在我们的热仿真情况下,我们的目标是要防止母线达到焦耳热引起的高温,例如典型PET极限的105℃或最终客户设置的极限。
           电流分布是根据客户的规格确定的。最简单的模拟方法是计算电流RMS值,并作为直流来处理它们。通过这种方法,我们可以设置个固定模式的电流再分配。当电流变得更加复杂时,特别是在经历不同输^或输出的不同频率的电流情况下,瞬态模型需要准确地考虑这样的事实,即不同频率的电流不会直接加起来。电现象时间尺度(time scale)不同于热传递时间尺度,在静止传热研究之前,必须进行瞬态研究来计算电流密度图。
          电流密度可导致热化。冷却通常有三个现象。第一个是导通,并可通过求解热传导方程来实现。第二个是由斯蒂芬-玻尔兹曼(Stephan-Boltzmann)定律计算的辐射热转移。塑料辐射远远超过了氧化金属,其辐射超过了抛光的金属。第三是对流,并不那么直接。
          此外,用流体力学仿真一个完整的空气容积是可能的,但内存和计算能力可能是昂贵的。捕捉空气又是非常困难的,因为空气网格(air mash)与母线网格必须是连续的。有限元方法不是解决这种问题的最好方法。迅速解决这个问题的最好的方式通常是根据客户的操作条件来计算依赖于温度的平均传热系数。
          但是,流体力学可通过模拟层流(laminar)在管道中的水流动用于水冷母线的情况。传导是指一个水冷母线可使热远离电路。
           当然,明确定义的材料特性和电流状况对运行准确仿真是最重要的。事实上,取决于环境条件(温度、压力等)、使用的金属台金和介电材料(PET、Nomex、Kapton等),仿真可能明显不同。为了实现精确的仿真需要清楚地了解最终应用。
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