電力電子裝置的多物理場的耦合模型及優(yōu)化設(shè)計分析

2018-05-28 08:15:16張華文

電子技術(shù)與軟件工程 2018年8期

文/張華文

電力電子裝置的損耗情況及電磁感應(yīng)問題，是影響裝置性能的主要因素。近些年來，隨著裝置開關(guān)器件功率密度的提升，上述問題逐漸加劇。如何降低損耗、提高電力電子裝置的性能，已經(jīng)成為了電力領(lǐng)域研究的主要方向。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯示，建立多場耦合模型，可為電力電子裝置的優(yōu)化設(shè)計提供清晰的思路。可見，對電力電子裝置的多物理場的耦合模型及優(yōu)化設(shè)計方法加以探討較為必要。

1 電力電子裝置的多場耦合問題

多場耦合問題，屬于電力電子裝置運(yùn)行過程中存在的主要問題。指在同一系統(tǒng)中，兩個或兩個以上的場相互作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象。電力電子裝置中存在的物理場，包括熱場、磁場及電場等多種。以熱場為例，裝置的熱阻、散熱器性能及風(fēng)機(jī)的性能，均屬于影響熱場強(qiáng)度的主要因素。為實(shí)現(xiàn)對“場”的控制，首先必須建立其數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，通過求解偏微分方程等方式，得到最終的優(yōu)化設(shè)計數(shù)值。目前來看，多場耦合問題的求解方法共包括四種，詳見表1。

2 電力電子裝置多物理場的耦合模型及優(yōu)化設(shè)計方法

本章以熱場為例，對電力電子裝置多物理場的耦合模型及優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行了探討：

2.1 分析方法及流程

電力電子裝置熱分析方法見表2。

電力電子裝置熱設(shè)計流程見表3。

2.2 元件功耗

電力電子裝置元件包括變壓器及二極管等多種，以二極管為例，該元件的功耗計算公式如下：

上述公式中，VF代表導(dǎo)通壓降，VR代表關(guān)斷電壓。將各項(xiàng)數(shù)值代入至公式中，計算可得元件的各項(xiàng)參數(shù)如表4。

2.3 耦合模型的建立

2.3.1 電源結(jié)構(gòu)模型

電力電子裝置電源由逆變元件、整流元件、擋板等構(gòu)成。其中逆變元件的構(gòu)成較為復(fù)雜，包括抽風(fēng)機(jī)、IGBT模塊、電容、變壓器及散熱器等多項(xiàng)結(jié)構(gòu)。其中抽風(fēng)機(jī)的功能主要在于降溫、變壓器的功能在于調(diào)節(jié)電壓、散熱器的功能在于散熱，避免電源因過熱而出現(xiàn)故障。

2.3.2 熱阻模型

電力電子裝置熱阻計算公式如下：

公式中，R代表熱阻，A代表電流。

計算后，得到逆變部分的散熱器參數(shù)見表5。

2.3.3 風(fēng)機(jī)與散熱器模型

電力電子裝置風(fēng)機(jī)耦合模型見表6。

為確定散熱器尺寸，對之熱阻加以計算較為重要。散熱器熱阻的計算公式：

R=△t/P

公式中，R代表散熱器熱阻、△t代表元件熱度與空氣溫度的差值，P代表發(fā)熱元件的功耗指標(biāo)。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入上述公式后，即可得到最終數(shù)值。

2.4 仿真及優(yōu)化

2.4.1 仿真模型

本課題所建立的電力電子元件仿真模型，由整流橋、變壓器、電容、IGBT模塊等構(gòu)成。其中，變壓器及IGBT模塊的寬度，分別為70mm及106mm。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，電力電子元件的散熱器寬度應(yīng)≥180mm，為滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，本課題決定將其尺寸確定為180mm×90mm×420mm。

2.4.2 散熱器優(yōu)化

結(jié)合耦合模型及仿真設(shè)計指標(biāo)，本課題采用FLOTHERM軟件，對散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過對仿真設(shè)計結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)散熱器寬度達(dá)到200mm時，隨寬度的增加，電力電子裝置溫度的變化幅度逐漸減小。表明，200mm為散熱器的最佳寬度指標(biāo)。

2.4.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為判斷上述仿真結(jié)果是否能夠達(dá)到減少裝置功耗的目的，本課題采用實(shí)驗(yàn)的方式，對元件的功耗情況進(jìn)行了觀察。實(shí)驗(yàn)中所應(yīng)用到散熱器尺寸為200mm×90mm×420mm，整流部分尺寸為180m×150mm×420mm，風(fēng)速5m/s。測量后發(fā)現(xiàn)，實(shí)測溫度與仿真溫度的誤差≤2.1。表明采用上述方法優(yōu)化，能夠達(dá)到提高電力電子裝置性能，降低其功耗的目的。

3 結(jié)論

綜上所述，針對電力電子裝置的多物理場建立耦合模型，并以之為基礎(chǔ)，對裝置元件的尺寸等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，能夠達(dá)到降低元件功耗的目的。電力領(lǐng)域可將上述方法拓展應(yīng)用到磁場以及電場等物理場的優(yōu)化設(shè)計過程中，在建立耦合模型的基礎(chǔ)上，利用偏微分方程計算相應(yīng)參數(shù)。并采用FLOTHERM軟件進(jìn)行仿真設(shè)計，得到優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，為電力領(lǐng)域的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。