前言

逆變器（Inverter）是把直流電轉為交流電的轉換器。在新能源汽車中逆變器將電池包的直流電轉變為電動機可以利用的交流電，通過改變交流電的頻率和幅值，可以調節電動機的轉速和動力。驅動電壓的頻率越高，電動機的轉速就越快，驅動電壓的幅值越大，電動機的動力就越強。

在逆變器中，使用IGBT、MOSFET等開關元件來控制電流的方向和大小，從而實現電壓和頻率的變換。在工作狀態每個組件都會產生大量熱量，高溫會導致有效功率輸出降低，甚至熱失控。為了合理的熱設計，首先要獲取功率元件的損耗，而損耗又是和溫度相關的，因此有必要進行電-熱聯合仿真對元件溫度和冷卻能力進行準確計算。

逆變器演示模型

IGBT不同溫度下的電流電壓曲線

逆變器演示模型

逆變器演示模型

PSIM和SimLab聯合仿真

PSIM模塊用于搭建一維電路模型，計算芯片的熱功率。SimLab的Electronics Thermal模塊用于計算電子設備的三維溫度場，包括芯片的和節溫和殼溫。

PSIM在電路模型中計算的芯片損耗，是溫度相關的，需要CFD提供準確的溫度。在SimLab三維CFD模型中計算溫度場，需要PSIM提供準確的芯片功率損耗。因此兩者耦合，可以更加真實的反映設備的運行狀態。

熱-電聯合仿真

? PSIM模型首先初始化IGBT的溫度

? 一維電路模型可以快速分析元件在不同溫度下的損耗 ，每個模型計算通常只要幾分鐘

? 電路模型計算IGBT的損耗

導通路徑的諧波成分

直流母線的諧波成分

開關和導通損耗

開關損耗隨溫度變化

導通損耗隨溫度變化

? PSIM輸出的元件損耗功率表

? SimLab導入PSIM元件損耗功率表，自動匹配元器件名稱

聯合仿真，損耗和溫度相關

非聯合仿真，損耗是常數

PSIM和SimLab聯合計算，直到溫度收斂。對于本案例的逆變器演示模型，兩種計算方法溫度差異約在2.x%，而在一些更復雜的真實模型中，差異可能會更顯著。

IGBT溫度對比

逆變器熱仿真的兩種方法：

全模型和簡化模型

全模型包含了逆變器的所有部件，同時考慮了液冷（湍流）和環境空氣的自然對流冷卻（層流）。

全模型

局部模型的部件僅包括IGBT和冷板，不考慮空氣散熱，僅考慮水冷。

簡化模型

SimLab逆變器全模型

全模型熱參數設置

簡化模型熱參數設置

? IGBT和主PCB板是液冷區域，電容，銅排和小PCB板是空氣冷卻區域

全模型溫度

全模型IGBT的溫度分布

全模型冷卻液的流線

全模型銅排的溫度

簡化模型IGBT的溫度分布

? 從IGBT的溫度對比看，全模型和簡化模型的差別約在1%

IGBT溫度分布對比，全模型（橙色），簡化模型（藍色）

從計算成本看，簡化模型代價遠小于全模型，且精度差別不大。因為99%的熱量是冷卻液帶走。

逆變器驗證模型

輸入: DC 700V， 輸出：50kVA， 逆變器采用SiC-MOSFET技術，采用風扇和散熱片冷卻

逆變器實物

逆變器CAD模型

逆變器內部結構

5個軸流冷卻風扇

PSIM計算損耗，開關頻率40kHz，電壓800V, 芯片初始溫度60℃。

輸出給SimLab：SiC模塊損耗，溫度上限，2R芯片參數，Rj-c=0.0804C/W, Rj-b=100C/W。

? SimLab 幾何簡化工具

SiC元件的幾何簡化

? SimLab Electronics Thermal風扇和芯片模型

芯片2R模型

風扇性能曲線

? PCB板模型

Trace mapping

Simplify PCB with single body

? CFD模型網格數量3千萬，環境溫度20℃

逆變器表面溫度

SiC元件和散熱片表面溫度

底部的3個軸流風扇將冷卻空氣吹入散熱片，頂部的2個風扇將熱空氣吹出殼體

水平切面風速

冷空氣入口

垂直切面風速

垂直切面風溫

熱冷空氣出口

? 熱電偶的測試溫度和CFD結果對標，顯示出較高的預測精度

CFD仿真和試驗對標

總結

? 逆變器溫度仿真的2個關鍵點：

• 采用PSIM電路模型獲得溫度相關的功率損耗
• 采用SimLab對復雜裝配體，芯片，PCB板，散熱片等建模，準確模擬風冷和水冷的效果。

? 對于液冷的逆變器，冷卻液是主要的散熱途徑，空氣自然冷卻貢獻較小，用簡化模型以較小的代價獲得的解具有較高精度。

本期的逆變器熱-電聯合仿真分享就到這里啦，下一期我們將分享更多實用功能，敬請期待。

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