電力電子裝置的多物理場的耦合模型及優化設計分析

文/張華文

電力電子裝置的損耗情況及電磁感應問題，是影響裝置性能的主要因素。近些年來，隨著裝置開關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，已經成為了電力領域研究的主要方向。實踐經驗顯示，建立多場耦合模型，可為電力電子裝置的優化設計提供清晰的思路。可見，對電力電子裝置的多物理場的耦合模型及優化設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行過程中存在的主要問題。指在同一系統中，兩個或兩個以上的場相互作用而產生的現象。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、散熱器性能及風機的性能，均屬于影響熱場強度的主要因素。為實現對“場”的控制，首先必須建立其數學模型。在此基礎上，通過求解偏微分方程等方式，得到最終的優化設計數值。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化設計方法

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化設計方法進行了探討：

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代表導通壓降，VR代表關斷電壓。將各項數值代入至公式中，計算可得元件的各項參數如表4。

2.3 耦合模型的建立

2.3.1 電源結構模型

電力電子裝置電源由逆變元件、整流元件、擋板等構成。其中逆變元件的構成較為復雜，包括抽風機、IGBT模塊、電容、變壓器及散熱器等多項結構。其中抽風機的功能主要在于降溫、變壓器的功能在于調節電壓、散熱器的功能在于散熱，避免電源因過熱而出現故障。

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見表5。

2.3.3 風機與散熱器模型

電力電子裝置風機耦合模型見表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代表發熱元件的功耗指標。將各項數據帶入上述公式后，即可得到最終數值。

2.4 仿真及優化

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模塊等構成。其中，變壓器及IGBT模塊的寬度，分別為70mm及106mm。根據國家標準要求，電力電子元件的散熱器寬度應≥180mm，為滿足國家標準要求，本課題決定將其尺寸確定為180mm×90mm×420mm。

2.4.2 散熱器優化

結合耦合模型及仿真設計指標，本課題采用FLOTHERM軟件，對散熱器進行了優化設計。通過對仿真設計結果的對比發現，當散熱器寬度達到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。

2.4.3 實驗及結果

為判斷上述仿真結果是否能夠達到減少裝置功耗的目的，本課題采用實驗的方式，對元件的功耗情況進行了觀察。實驗中所應用到散熱器尺寸為200mm×90mm×420mm，整流部分尺寸為180m×150mm×420mm，風速5m/s。測量后發現，實測溫度與仿真溫度的誤差≤2.1。表明采用上述方法優化，能夠達到提高電力電子裝置性能，降低其功耗的目的。

3 結論

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，對裝置元件的尺寸等進行優化設計，能夠達到降低元件功耗的目的。電力領域可將上述方法拓展應用到磁場以及電場等物理場的優化設計過程中，在建立耦合模型的基礎上，利用偏微分方程計算相應參數。并采用FLOTHERM軟件進行仿真設計，得到優化設計結果，為電力領域的長遠發展奠定基礎。

表1：多場耦合問題的求解方法

表2：電力電子裝置熱分析方法

表3：電力電子裝置熱設計流程

表4：電力電子裝置元件功耗計算結果

表5：逆變部分的散熱器參數

表6：電力電子裝置風機耦合模型

參考文獻

[1]馬瑜涵,陳佳佳,胡斯登.IGBT電力電子系統小時間尺度動態性能分析與計算的電磁場-電路耦合模型[J].電工技術學報,2017,32(13):14-22.

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