疊層母線設(shè)計的多物理學仿真

在較高頻率切換的IGBT特性的改進已經(jīng)成為開發(fā)更小、更高效電力電子變流器的一個決定性因素。盡可能低的系統(tǒng)雜散電感對于推動今天最先進的變流器達到其峰值性能至關(guān)重要。
疊層母線(laminatad  busbar)是實現(xiàn)這目標的回應。如果雜散電感保持在非常低的水平，高開關(guān)頻率會導致重大的換向損耗�；ジ锌梢酝ㄟ^使導線變細并盡可能靠攏而減少。此外，疊層母線可以在個結(jié)構(gòu)中集成電源模塊的所有元件，這將有助于實現(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，從而實現(xiàn)最佳的可制造性設(shè)計（DFM）。同時，母線將消除安裝誤差的可能性。相比傳統(tǒng)電纜，在攜帶同級別的電流時，母線將改善散熱性，并保持轉(zhuǎn)換器的冷卻效果�？傮w而言，疊層母線為電力電子轉(zhuǎn)換器設(shè)計工程師提供了極大的好處，尤其是在他們的設(shè)計在項目的早期階段進行集成的時候。
MERSEN(原ELDRE)是家定制設(shè)計母線的專業(yè)廠商擁有超過60年的專業(yè)技術(shù)。從歷史上看，產(chǎn)品是在手工計算以及全面技術(shù)訣竅的基礎(chǔ)上開發(fā)的。然而，由于設(shè)計變得越來越復雜，分析計算變得不可能解決特別是從熱的角度來看。為了縮短產(chǎn)品上市時間，同時保持一流的質(zhì)量并控制成本，也就是應用所使用的合適材料和，或厚度，當開發(fā)一個定制疊層母線時，熱仿真成為了一個決定性的工具。
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原型并在工作條件下進行測試。但是令人欣慰的解決方案似乎也存在一些缺點。金屬切割和表面處理對每個設(shè)計都是唯一的。用來彎曲某些復雜形狀產(chǎn)品的工具必須要量身訂做。緣材料層必須針對被測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致可能無法通過測試驗證的母線的全球價格增加。
建立一個原型也很耗時，因為涉及各種各樣的專門操作，有時可能與客戶的期限是不相容的。一旦原型敲定以后進行，運行測試本身也并不是那么容易，尤其在最糟糕的情況下進行研究。高溫、復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)不適合于一個典型環(huán)境試驗箱（chamber）。因此測試可能變得昂貴，并增加不必要的學習時間。
這就是仿真是加快開發(fā)進程的一個方便工具的理由。通過增加概念階段的預測試步驟，在經(jīng)歷原型制造過程之前，可以發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)計上的缺陷。過熱區(qū)域或過度厚實的板材通過計算來確定并不總是明智的做法。
計算機生成的溫度圖非常具有吸引力，也易于理解：“一張圖片勝過1000個單詞”。更令客戶鼓舞的是在訂購一個原型之前得到了初步測試結(jié)果，并有個互動的交流來調(diào)整其最初的設(shè)計。然而，仿真并不是要完全取代測試。計算結(jié)果的
質(zhì)量只是像輸入數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)物理學的理解一樣。
仿真過程
 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，直至達到整體穩(wěn)定性。其主要長處之在于，它可以用來同時求解模擬不同物理學的偏導數(shù)方程。
COMSOL的結(jié)構(gòu)是個模塊化平臺，有一個處理典型物理現(xiàn)象的基本版本，如結(jié)構(gòu)力學、熱轉(zhuǎn)移、電流、層流力學、聲學，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。研究工程師和研究員使用這個工具可以將基本方程控制到深入的水平。
- 大多數(shù)仿真開始于由客戶提供的三維幾何模型，通常是個.stp文件的形式。如果必要的話，可以修改設(shè)計，例如針對間隙或爬電距離，或者如果導電材料的厚度明顯不合適。某個時候，可研究幾個可能的幾何形狀。
-正如前面所說，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（或在二維問題情況下的表面）劃分成小網(wǎng)格(mesh)，對于其結(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）計算每個研究的變量值。
一個合適的網(wǎng)格是必需的，因為太粗的網(wǎng)格可能會阻礙仿真的收斂，而且元素和結(jié)的數(shù)目受系統(tǒng)內(nèi)存和計算能力的限制。在COMSOL中網(wǎng)格是自動建立的，這取決于物理模型的使用。然而，在疊層母線的情況下，這種操作有時可能是有問題的，因為我們正在處理的層非常薄而寬，而沒有計算繪制錯誤。重繪部分和去特色(de-featuring)的原始模型通常需要得到個可利用的網(wǎng)格。
接下來的步驟是非常重要的：定義所涉及的物理學
 在我們的熱仿真情況下，我們的目標是要防止母線達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。最簡單的模擬方法是計算電流RMS值，并作為直流來處理它們。通過這種方法，我們可以設(shè)置個固定模式的電流再分配。當電流變得更加復雜時，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)模型需要準確地考慮這樣的事實，即不同頻率的電流不會直接加起來。電現(xiàn)象時間尺度(time scale)不同于熱傳遞時間尺度，在靜止傳熱研究之前，必須進行瞬態(tài)研究來計算電流密度圖。
電流密度可導致熱化。冷卻通常有三個現(xiàn)象。第一個是導通，并可通過求解熱傳導方程來實現(xiàn)。第二個是由斯蒂芬-玻爾茲曼（Stephan-Boltzmann）定律計算的輻射熱轉(zhuǎn)移。塑料輻射遠遠超過了氧化金屬，其輻射超過了拋光的金屬。第三是對流，并不那么直接。
此外，用流體力學仿真一個完整的空氣容積是可能的，但內(nèi)存和計算能力可能是昂貴的。捕捉空氣又是非常困難的，因為空氣網(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題的最好方法。迅速解決這個問題的最好的方式通常是根據(jù)客戶的操作條件來計算依賴于溫度的平均傳熱系數(shù)。
但是，流體力學可通過模擬層流(laminar)在管道中的水流動用于水冷母線的情況。傳導是指一個水冷母線可使熱遠離電路。
 當然，明確定義的材料特性和電流狀況對運行準確仿真是最重要的。事實上，取決于環(huán)境條件（溫度、壓力等）、使用的金屬臺金和介電材料（PET、Nomex、Kapton等），仿真可能明顯不同。為了實現(xiàn)精確的仿真需要清楚地了解最終應用。