在電動汽車和混合電動汽車領域，許多我們在內燃機汽車中習以為常的系統必須采用迥然不同的實現方式。除了主動力總成的電機-發電機套裝，部分輔助系統也要實現電氣化。例如由于這些車輛的發動機不會持續運行，靠電力驅動的空調（AC）壓縮機和變速箱油泵替代了常見的輔助傳動帶驅動系統。所有這些電驅動裝置都需要快速、高效、可靠的電力電子變換器。

    半導體行業先驅品牌仙童半導體針對這類電力電子變換器生產了多種類型的功率器件，并為移動、工業、云、汽車、照明和計算行業提供了完整的低功率和高功率解決方案組合。典型的仙童轉換器由六個絕緣柵雙極晶體管（IGBT）陣列構成，每個IGBT搭配一個反向并聯二極管，用于將車輛電池組提供的直流電壓轉換成驅動三相交流電壓，從而驅動交流電機。每個“半橋”由兩個IGBT和兩個二極管構成，為電機的單相供電。單個IGBT和二極管對一起構成了一個雙向開關，結合逆變器中的其他開關，按照脈沖寬度調制方法工作，可生成控制電機所需的交流波形。通過5到20KHz頻率開關這些IGBT，可以得到脈沖直流電壓。經平均后就能夠在各相產生正弦波，各相三個正弦波間的相位差為120度。這種三相正弦驅動能在電機內產生旋轉電場，通過閉環反饋系統精確控制，從而產生驅動載荷所需的扭矩。

    電動或混合動力傳動系統逆變器的額定功率介于50KW到100KW之間，交流壓縮機的功率在6KW的范圍之內，因此這些設備消耗的功率很大，熱管理對它們的設計十分重要。傳統的方法是仿真電路，判斷特定工作條件下的功耗。然后將這些功率損耗作為3D熱仿真的輸入，用于預測IGBT和二極管的結溫。這種方法一般需要大約8小時才能仿真數十毫秒的工作時間，以便在一系列給定工作條件下對一次設計迭代的熱特征進行描述。此外，單獨運行電氣仿真和熱仿真以及手動傳遞數據就占用了大量的工程時間。仙童工程師通過ANSYSIcepak研發出一種能在ANSYSSimplorer系統仿真環境中運行的系統級線性時不變（LTI）降階模型（ROM），將熱性能預測時間從數天、數小時壓縮到數分鐘，從而改進逆變器的設計流。

1 驗證ROM方法

       仙童工程師為包括封裝和外殼在內的三相逆變器創建了一個Icepak模型。他們運行了幾次簡單的仿真以驗證模型的精度，然后開展了穩態仿真。隨后他們在Icepak中針對一組輸入和輸出量開展了一系列階躍響應分析，構建出一個緊湊的模型。對于逆變器，六個IGBT和六個二極管的功耗以及熱沉溫度通?？捎米鬏斎耄Y溫可用于提供一系列輸出量。以完整描述的熱系統為基礎，該團隊隨后使用Icepak生成線性時不變降階模型（LTIROM），能夠在Simplorer中用于仿真指定的電氣和熱條件，所需時間只是完整3D熱仿真用時的一小部分。

3D熱分析以高計算成本準確判斷熱狀態

       仙童工程師根據完整的3D熱分析來評估自己的初始ROM，以測試其精度。使用ROM在階躍載荷測試中預測的所有組件的溫度與完整3D熱分析得到的預測值完美吻合（誤差小于1%）。完整3D仿真的求解器用時大約為兩個小時，而ROM只用一分鐘左右即可完成運行。然后進行多種脈沖載荷測試，以比較ROM分析與3D熱分析的結果。ROM結果仍然與3D分析極為吻合（誤差級別小于2%）。在本案例中，3D模型用8小時求解了150毫秒的工作時間，而ROM用四小時求解了150秒的工作時間。本例中ROM帶來了2000倍的加速，并僅用一半時間就提供超過1000倍的信息。仙童工程師認為沒有必要使用物理測試驗證結果，因為他們已經多次根據物理測試驗證3D熱分析，每次的結果都極為吻合。

逆變器通過生成脈沖，結合起來產生正弦波，將直流轉換成三相交變電流

在13次單獨的3D熱分析中，利用不同的組件載荷和環境溫度創建的降階模型

2 首次用于實體產品

     仙童團隊使用ROM方法為電動汽車的空調壓縮機研發三相逆變器。工程師使用Icepak創建各組件、封裝和外殼的ROM。他們將模型導入到Simplorer中，計算空調啟動后壓縮機電機轉速為5,000rpm時對于逆變器的要求。ROM方法計算出每個器件的結溫。在ROM研發完成后，Simplorer環境就能實現器件模型、載荷模型、封裝模型和控制系統單元的集成，從而進行系統級性能預測和設計優化。工程師還可以通過修改電路參數，使模型在不同的工作條件下運行。

降階模型的結果與3D熱分析結果近乎完美地吻合

    在這個項目中，ROM讓仙童工程師能夠從容應對設計規范的變更，以更短的時間評估設計備選方案，這一點利用傳統方法簡直望塵莫及。例如最初客戶表示熱沉的運行溫度是85攝氏度，但物理測試顯示實際運行溫度是105攝氏度。工程師只是在Simplorer中修改一個參數，ROM幾分鐘之內就得出了更新后的結果。電機工作條件（例如開關頻率）在設計過程中也經歷了幾次變更。而仙童工程師都能夠迅速地評估每次變更的影響。

    仙童工程師預計能為研發魯棒性、可靠的逆變器節省大量時間。參與該項目的主要工程團隊成員還發現，工作量也明顯減少。他們充分相信，將基于ROM的分析方法與ANSYS工具集成到研發流程中，不僅能夠降低工程費用，鼓勵創新，還能為公司贏得更多產品研發項目。

ANSYS Simplorer確定功率損耗并使用ROM計算結溫

本文來源于網絡，轉載自CAE技術交流

作者：Roy Davis  Klaus Neumaier

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