CFD 专栏丨如何高效实现逆变器热 - 电联合仿真？

前言

逆变器（Inverter）是把直流电转为交流电的转换器。在新能源汽车中逆变器将电池包的直流电转变为电动机可以利用的交流电，通过改变交流电的频率和幅值，可以调节电动机的转速和动力。驱动电压的频率越高，电动机的转速就越快，驱动电压的幅值越大，电动机的动力就越强。

在逆变器中，使用 IGBT、MOSFET 等开关元件来控制电流的方向和大小，从而实现电压和频率的变换。在工作状态每个组件都会产生大量热量，高温会导致有效功率输出降低，甚至热失控。为了合理的热设计，首先要获取功率元件的损耗，而损耗又是和温度相关的，因此有必要进行电-热联合仿真对元件温度和冷却能力进行准确计算。

逆变器演示模型

IGBT 不同温度下的电流电压曲线

逆变器演示模型

逆变器演示模型

逆变器演示模型

PSIM 和 SimLab 联合仿真

PSIM 模块用于搭建一维电路模型，计算芯片的热功率。SimLab 的 Electronics Thermal 模块用于计算电子设备的三维温度场，包括芯片的和节温和壳温。

PSIM 在电路模型中计算的芯片损耗，是温度相关的，需要 CFD 提供准确的温度。在 SimLab 三维 CFD 模型中计算温度场，需要 PSIM 提供准确的芯片功率损耗。因此两者耦合，可以更加真实的反映设备的运行状态。

热-电联合仿真

► PSIM 模型首先初始化 IGBT 的温度

► 一维电路模型可以快速分析元件在不同温度下的损耗 ，每个模型计算通常只要几分钟

► 电路模型计算 IGBT 的损耗

导通路径的谐波成分

导通路径的谐波成分

直流母线的谐波成分

直流母线的谐波成分

开关和导通损耗

开关损耗随温度变化

导通损耗随温度变化

► PSIM 输出的元件损耗功率表

► SimLab 导入 PSIM 元件损耗功率表，自动匹配元器件名称

联合仿真，损耗和温度相关

非联合仿真，损耗是常数

PSIM 和 SimLab 联合计算，直到温度收敛。对于本案例的逆变器演示模型，两种计算方法温度差异约在 2.x%，而在一些更复杂的真实模型中，差异可能会更显著。

IGBT 温度对比

逆变器热仿真的两种方法：全模型和简化模型

全模型包含了逆变器的所有部件，同时考虑了液冷（湍流）和环境空气的自然对流冷却（层流）。

全模型

局部模型的部件仅包括 IGBT 和冷板，不考虑空气散热，仅考虑水冷。

简化模型

SimLab 逆变器全模型

全模型热参数设置

简化模型热参数设置

► IGBT 和主 PCB 板是液冷区域，电容，铜排和小 PCB 板是空气冷却区域

全模型温度

全模型 IGBT 的温度分布

全模型冷却液的流线

全模型铜排的温度

简化模型 IGBT 的温度分布

► 从 IGBT 的温度对比看，全模型和简化模型的差别约在 1%

IGBT 温度分布对比，全模型（橙色），简化模型（蓝色）

从计算成本看，简化模型代价远小于全模型，且精度差别不大。因为 99%的热量是冷却液带走。

输入: DC 700V， 输出：50kVA， 逆变器采用 SiC-MOSFET 技术，采用风扇和散热片冷却

逆变器实物

逆变器 CAD 模型

逆变器内部结构

5 个轴流冷却风扇

PSIM 计算损耗，开关频率 40kHz，电压 800V, 芯片初始温度 60℃。

输出给 SimLab：SiC 模块损耗，温度上限，2R 芯片参数，Rj-c=0.0804C/W, Rj-b=100C/W。

► SimLab 几何简化工具

SiC 元件的几何简化

► SimLab Electronics Thermal 风扇和芯片模型

芯片 2R 模型

风扇性能曲线

► PCB 板模型

Trace mapping

Simplify PCB with single body

► CFD 模型网格数量 3 千万，环境温度 20℃

逆变器表面温度

SiC 元件和散热片表面温度

底部的 3 个轴流风扇将冷却空气吹入散热片，顶部的 2 个风扇将热空气吹出壳体

水平切面风速

冷空气入口

垂直切面风速

垂直切面风温

热冷空气出口

► 热电偶的测试温度和 CFD 结果对标，显示出较高的预测精度

CFD 仿真和试验对标

总结

► 逆变器温度仿真的 2 个关键点：

●采用 PSIM 电路模型获得温度相关的功率损耗

●采用 SimLab 对复杂装配体，芯片，PCB 板，散热片等建模，准确模拟风冷和水冷的效果。

► 对于液冷的逆变器，冷却液是主要的散热途径，空气自然冷却贡献较小，用简化模型以较小的代价获得的解具有较高精度。

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