疊層母線設(shè)計(jì)的多物理學(xué)仿真

在較高頻率切換的IGBT特性的改進(jìn)已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)更小、更高效電力電子變流器的一個(gè)決定性因素。盡可能低的系統(tǒng)雜散電感對(duì)于推動(dòng)今天最先進(jìn)的變流器達(dá)到其峰值性能至關(guān)重要。
疊層母線(laminatad  busbar)是實(shí)現(xiàn)這目標(biāo)的回應(yīng)。如果雜散電感保持在非常低的水平，高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致重大的換向損耗�；ジ锌梢酝ㄟ^(guò)使導(dǎo)線變細(xì)并盡可能靠攏而減少。此外，疊層母線可以在個(gè)結(jié)構(gòu)中集成電源模塊的所有元件，這將有助于實(shí)現(xiàn)成本效益和效率。變流器將更加緊湊，而且更快、更容易組裝，從而實(shí)現(xiàn)最佳的可制造性設(shè)計(jì)（DFM）。同時(shí)，母線將消除安裝誤差的可能性。相比傳統(tǒng)電纜，在攜帶同級(jí)別的電流時(shí)，母線將改善散熱性，并保持轉(zhuǎn)換器的冷卻效果。總體而言，疊層母線為電力電子轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)工程師提供了極大的好處，尤其是在他們的設(shè)計(jì)在項(xiàng)目的早期階段進(jìn)行集成的時(shí)候。
MERSEN(原ELDRE)是家定制設(shè)計(jì)母線的專業(yè)廠商擁有超過(guò)60年的專業(yè)技術(shù)。從歷史上看，產(chǎn)品是在手工計(jì)算以及全面技術(shù)訣竅的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的。然而，由于設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜，分析計(jì)算變得不可能解決特別是從熱的角度來(lái)看。為了縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)保持一流的質(zhì)量并控制成本，也就是應(yīng)用所使用的合適材料和，或厚度，當(dāng)開(kāi)發(fā)一個(gè)定制疊層母線時(shí)，熱仿真成為了一個(gè)決定性的工具。
為什么要使用仿真?
確保母線符合其規(guī)格的最可靠的方法是建立一個(gè)原型并在工作條件下進(jìn)行測(cè)試。但是令人欣慰的解決方案似乎也存在一些缺點(diǎn)。金屬切割和表面處理對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)都是唯一的。用來(lái)彎曲某些復(fù)雜形狀產(chǎn)品的工具必須要量身訂做。緣材料層必須針對(duì)被測(cè)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，等等··· ···所有這些增加的成本導(dǎo)致可能無(wú)法通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證的母線的全球價(jià)格增加。
建立一個(gè)原型也很耗時(shí)，因?yàn)樯婕案鞣N各樣的專門操作，有時(shí)可能與客戶的期限是不相容的。一旦原型敲定以后進(jìn)行，運(yùn)行測(cè)試本身也并不是那么容易，尤其在最糟糕的情況下進(jìn)行研究。高溫、復(fù)雜或高電流電力客戶條件可能不容易重現(xiàn)。超大結(jié)構(gòu)不適合于一個(gè)典型環(huán)境試驗(yàn)箱（chamber）。因此測(cè)試可能變得昂貴，并增加不必要的學(xué)習(xí)時(shí)間。
這就是仿真是加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程的一個(gè)方便工具的理由。通過(guò)增加概念階段的預(yù)測(cè)試步驟，在經(jīng)歷原型制造過(guò)程之前，可以發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)計(jì)上的缺陷。過(guò)熱區(qū)域或過(guò)度厚實(shí)的板材通過(guò)計(jì)算來(lái)確定并不總是明智的做法。
計(jì)算機(jī)生成的溫度圖非常具有吸引力，也易于理解：“一張圖片勝過(guò)1000個(gè)單詞”。更令客戶鼓舞的是在訂購(gòu)一個(gè)原型之前得到了初步測(cè)試結(jié)果，并有個(gè)互動(dòng)的交流來(lái)調(diào)整其最初的設(shè)計(jì)。然而，仿真并不是要完全取代測(cè)試。計(jì)算結(jié)果的
質(zhì)量只是像輸入數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)物理學(xué)的理解一樣。
仿真過(guò)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(dá)到整體穩(wěn)定性。其主要長(zhǎng)處之在于，它可以用來(lái)同時(shí)求解模擬不同物理學(xué)的偏導(dǎo)數(shù)方程。
COMSOL的結(jié)構(gòu)是個(gè)模塊化平臺(tái)，有一個(gè)處理典型物理現(xiàn)象的基本版本，如結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱轉(zhuǎn)移、電流、層流力學(xué)、聲學(xué)，等等  更專業(yè)的（可選）模塊范圍從腐蝕研究到等離于體物理學(xué)。研究工程師和研究員使用這個(gè)工具可以將基本方程控制到深入的水平。
- 大多數(shù)仿真開(kāi)始于由客戶提供的三維幾何模型，通常是個(gè).stp文件的形式。如果必要的話，可以修改設(shè)計(jì)，例如針對(duì)間隙或爬電距離，或者如果導(dǎo)電材料的厚度明顯不合適。某個(gè)時(shí)候，可研究幾個(gè)可能的幾何形狀。
-正如前面所說(shuō)，物理方程是本地求解的。為了能夠考慮幾何形狀，我們必須把空間域（或在二維問(wèn)題情況下的表面）劃分成小網(wǎng)格(mesh)，對(duì)于其結(jié)(knot)，我們將在每次迭代（在靜止研究情況下）和每次（瞬態(tài)研究情況下）計(jì)算每個(gè)研究的變量值。
一個(gè)合適的網(wǎng)格是必需的，因?yàn)樘�粗的網(wǎng)格可能會(huì)阻礙仿真的收斂，而且元素和結(jié)的數(shù)目受系統(tǒng)內(nèi)存和計(jì)算能力的限制。在COMSOL中網(wǎng)格是自動(dòng)建立的，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(shí)可能是有問(wèn)題的，因?yàn)槲覀冋�在處理的層非常薄而寬，而沒(méi)有計(jì)算繪制錯(cuò)誤。重繪部分和去特色(de-featuring)的原始模型通常需要得到個(gè)可利用的網(wǎng)格。
接下來(lái)的步驟是非常重要的：定義所涉及的物理學(xué)
 在我們的熱仿真情況下，我們的目標(biāo)是要防止母線達(dá)到焦耳熱引起的高溫，例如典型PET極限的105℃或最終客戶設(shè)置的極限。
 電流分布是根據(jù)客戶的規(guī)格確定的。最簡(jiǎn)單的模擬方法是計(jì)算電流RMS值，并作為直流來(lái)處理它們。通過(guò)這種方法，我們可以設(shè)置個(gè)固定模式的電流再分配。當(dāng)電流變得更加復(fù)雜時(shí)，特別是在經(jīng)歷不同輸^或輸出的不同頻率的電流情況下，瞬態(tài)模型需要準(zhǔn)確地考慮這樣的事實(shí)，即不同頻率的電流不會(huì)直接加起來(lái)。電現(xiàn)象時(shí)間尺度(time scale)不同于熱傳遞時(shí)間尺度，在靜止傳熱研究之前，必須進(jìn)行瞬態(tài)研究來(lái)計(jì)算電流密度圖。
電流密度可導(dǎo)致熱化。冷卻通常有三個(gè)現(xiàn)象。第一個(gè)是導(dǎo)通，并可通過(guò)求解熱傳導(dǎo)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)。第二個(gè)是由斯蒂芬-玻爾茲曼（Stephan-Boltzmann）定律計(jì)算的輻射熱轉(zhuǎn)移。塑料輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了氧化金屬，其輻射超過(guò)了拋光的金屬。第三是對(duì)流，并不那么直接。
此外，用流體力學(xué)仿真一個(gè)完整的空氣容積是可能的，但內(nèi)存和計(jì)算能力可能是昂貴的。捕捉空氣又是非常困難的，因?yàn)榭諝饩W(wǎng)格(air mash)與母線網(wǎng)格必須是連續(xù)的。有限元方法不是解決這種問(wèn)題的最好方法。迅速解決這個(gè)問(wèn)題的最好的方式通常是根據(jù)客戶的操作條件來(lái)計(jì)算依賴于溫度的平均傳熱系數(shù)。
但是，流體力學(xué)可通過(guò)模擬層流(laminar)在管道中的水流動(dòng)用于水冷母線的情況。傳導(dǎo)是指一個(gè)水冷母線可使熱遠(yuǎn)離電路。
 當(dāng)然，明確定義的材料特性和電流狀況對(duì)運(yùn)行準(zhǔn)確仿真是最重要的。事實(shí)上，取決于環(huán)境條件（溫度、壓力等）、使用的金屬臺(tái)金和介電材料（PET、Nomex、Kapton等），仿真可能明顯不同。為了實(shí)現(xiàn)精確的仿真需要清楚地了解最終應(yīng)用。