摘要：本文基于PERA SIM Fluid通用流體仿真軟件以逆變器模塊為案例建立了多尺度電子散熱的通用過程。整個仿真過程從導入幾何模型，流體區域建立，到劃分多面體網格、定義流體、固體區域，為各個體定義材料參數、添加邊界條件，物理模型設置以及求解器設置，最終獲得分析結果與后處理呈現的過程，實現了電子產品多尺度三維仿真。分析得到逆變器的整體溫度分布與重要元件溫度結果，對多尺度多域的電子產品模組散熱分析具有一定的指導意義。

關鍵詞：熱分析，電子散熱，多域多尺度

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1.引言

逆變器應用領域較廣，如太陽能發電行業、風能轉換行業以及工業自動化領域。在太陽能發電和風能轉換系統中，逆變器用于將直流電轉換為交流電以供電網使用。在工業自動化領域，逆變器用于控制各種電動機和設備，以實現頻率調速和電壓控制等功能。

逆變器的工作原理是通過將直流電源轉換為可控的交流電源。首先，逆變器接收來自直流電源的輸入，然后通過內部的電子元件（如晶體管或絕緣柵雙極性晶體管）將直流電轉換成相應頻率和幅值的交流電。逆變器通常包括輸入濾波器、整流器、中間環節、逆變器橋和輸出濾波器等組件，以實現對電源的有效轉換和控制。逆變器作為高功率電子產品通常會遇到散熱上的難點，如散熱效率低下，環境適應性，散熱系統可靠性等熱分析問題。

本文基于PERA SIM Fluid通用流體仿真軟件以逆變器模塊為案例建立了多尺度電子散熱的通用過程。整個仿真過程從導入幾何模型，到流體區域建立，劃分多面體網格、定義流體、固體區域，為各個體定義材料參數、添加邊界條件，物理模型設置以及求解器設置，最終獲得分析結果與后處理呈現的過程，實現了電子產品多尺度三維仿真。分析得到逆變器的整體溫度分布與重要元件溫度結果，對多尺度多域的電子產品模組散熱分析具有一定的指導意義。

2.問題描述

2.1 模塊幾何參數

本文研究對象為某逆變器模塊，根據分析目的，對實際幾何進行了電子散熱仿真方向的簡化，對傳熱影響較小的幾何特征進行刪除，如小倒角，距離熱源較遠且小尺度的細小結構。對發熱元件及其主要散熱路徑上的幾何特征盡量保持了原有的特性。

3.仿真模型的建立

3.1 模型建立及簡化

導入stp格式的逆變器幾何模型，該逆變器模型是表面封閉的模型（如圖1），并包括內流體與外流體區域。內外流場已在幾何中創建，此案例不需要創建的輔助幾何。內外流場幾何如圖2。對于自然對流的外流區域按照一般自然對流外流暢大小標準，根據不小于整體幾何最大尺度的向上方向2倍長度，向下方向1.5倍長度，前后左右方向0.5倍長度的方法進行流場創建。最大程度來減小邊界對自然對流流動的影響。

圖1幾何模型

圖2內外流場區域

使用幾何菜單中的快速修復功能（如圖3），設定合適的縫合容差值和去特征容差值，將逆變器模型的各個元件、外殼、PCB及其內外流體區域模型進行自動的縫合交叉，確認縫合交叉位置。由于較多電子元件被簡化為規整的六面體幾何形態，所以同時使用了查找結構化面設置，有利于之后的網格生成。

圖3快速修復設置

3.2 網格劃分

為保持整體幾何特征與保證傳熱關鍵位置的網格尺寸，對元器件最小尺寸與最小對流gap的進行整體把控與測量后，通過全局尺寸進行網格控制。

固體最小網格層數保證2-4層或以上（如翅片與IGBT芯片），流動縫隙最小網格3-6層或以上（如翅片間隙），來保證基礎及更精準的計算結果。最終生成的網格質量良好（如圖7）。

圖4整體網格分布

圖5翅片間流動間隙網格分布

圖6 PCBA整體與元件網格分布

圖7網格質量評估

3.3 物理模型與邊界設置

采用穩態計算，不可壓流體。為計算自然對流與傳熱過程激活能量方程，打開重力項，添加重力加速度數值9.8m/s2與方向。

環境空氣屬性使用布西尼斯克假設來反應溫升不高時候的浮力作用，密度和動力粘度值按照常溫常壓條件下的數值，例如密度為1.225 kg/m^3，動力粘度為1.7894e-5 kg/(m·s)，導熱系數為0.0242 W/m-K，熱膨脹系數為0.00367 /K。

圖8固體材料參數

圖9流體材料參數

圖10熱源功耗

3.4 邊界條件

外流場所有邊界條件設置為壓力出口邊界條件，壓力按照一個大氣壓（表壓為0Pa）的邊界設置，湍流強度和長度尺度的方式為缺省默認設置。

圖11邊界條件設置

3.5 求解器設置

粘度模型使用K-wSST湍流模型。使用Couple算法，空間離散格式使用高精度的二階迎風格式，由于封閉空間自然對流情況收斂較為困難，因此打開偽瞬態選項以加強自然對流計算收斂穩定性。為瞬態的時間步長設置為1s，固體為瞬態時間步長為1000s。

創建主要熱源的溫度監測點，作為隨著計算迭代更新的監測值，輔助判斷計算的收斂情況。設置計算迭代的殘差收斂標準（如圖15）：

圖12求解算法、空間離散與時間離散

圖13溫度監控點設置

圖14計算設置

圖15收斂標準

4.計算結果分析

4.1 計算分析設置

計算開始后，通過殘差曲線和監測曲線來查看計算的收斂情況，待計算的殘差曲線平穩，監測的重要熱源部位的溫度曲線平穩認為計算收斂。通常需計算迭代約100步或更多。

圖16計算殘差與溫度監控曲線

4.2 計算結果

計算完成后，通過仿真分析的監測曲線可以直接輸出部分關注的分析結果，如溫度等。

通過云圖、矢量圖、流線等方式對仿真結果進行可視化的分析，包括：

溫度場結果云圖分布：

圖17溫度分布結果

由于溫度差異引起的自然對流與自然對流的換熱效果：

圖18自然對流效果分析

從以上的分析結果可以得到，在開放環境與額定工況下逆變器內部最高溫度355K（82℃左右），外殼最高溫度325K（52℃左右），并獲得外殼上的自然對流流速度與強度，為后續散熱設計提供數據參考。

5.總結

本文以國產自主研發的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid，對逆變器發熱與散熱進行了熱仿真分析流程，得到了逆變器模組在額定工況下整體的溫度分布與最高溫度位置以及外部對流換熱強度，為逆變器模組現有設計的驗證與后續產品的優化設計提供了一定的參考信息。

綜上可得，作為國產自主研發的通用流體仿真軟件，PERA SIM Fluid在計算逆變器溫度場的過程中，能完整地對模型進行材料定義、網格劃分、流體通用物理模型設置、分析求解和仿真結果可視化與數據處理。整體流程簡單易用，流程完整且高效。

作者：上海安世亞太 高征宇