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基于Icepak的电机控制器热仿真

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基于Icepak的电机控制器热仿真

概述:在低压电驱系统中,电机控制器作为能量转换的关键部件,其内部包含大量的功率以及电子元件。温度对其工作的寿命以及性能会产生重要的影响,因此需要对控制器进行全面的热分析和评估。本文基于Icepake对低压控制器部分进行了热仿真,主要包含模型简化,材料等效,网格剖分和仿真计算部分,最后将实验结果和仿真结果作了对比分析。

第一部分:模型简化

       通过3D处理工具DM/SCDM对模型进行处理,去掉对热影响较小的元器件,保留主要的功率器件和散热单元。如下图:

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     原始3D模型   

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  简化后3D模型

第二部分:材料等效  

       将简化的模型输入一定的材料参数,一般热相关的材料参数包括三个:密度,比热,热传导系数。如下为主要核心散热元件的材料属性选择:

1- MOSFET等效模型以及材料参数

       MOSFET模型采用双热阻网络进行简化(缺少真实的封装数据),如下图所示,在计算过程中Icepak将不对MOSFET模块内部进行网格剖分,仅仅对其六个外表见进行网格划分。

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MOS管热模型等效--基于热阻网络

2- 散热基板等效模型以及材料参数

      散热基板采用和端盖外壳相同的材料属性。

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散热基板热参数设置

3- PCB & 铜排等效模型以及材料参数

      PCB采用FR4材料,未对其敷铜率作定义;铜排采用CU-Pure 材料,功耗0.1W

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第三部分:网格

       网格的质量关系到计算的准确性和收敛性,将模型进行多级网格剖分,提高MOSFET,散热器和相变膜网格精细度。网格剖分后的结果如下图:

1-散热器网格概览

       在该部分需要特别注意网格对CAD模型的贴合性,贴合不紧密的网格可能会对计算结果的准确性和收敛性产生影响。

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2-网格质量参数评价

      网格质量通过三个参数进行评定,由下图可以看出网格质量还是不错的

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网格质量参数评估

第四部分:条件设定

       边界条件设定要综合考虑模型的体量,计算的目标,以及对实际物理模型的评估,该模型为混合散热模型:传导-辐射-对流。因此需要考虑将迭代步骤加大至200,看最终的迭代效果。

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损耗设定:

       设定MOSFET的单个损耗为7.3W,铜排的单个损耗为0.1W

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第五部分:仿真结果

       该部分展示了Icepak最终的计算结果,可以从不同的维度呈现出控制器各个温度场的分布,而计算结果的准确性则和模型的合理简化,网格的精细剖分,收敛曲线的表现相关。

       仿真条件:额定工况,MOS总体损耗263W,单个损耗为7.3W,铜排固定损耗0.1W,风速1.1m/s

MOSFET表面温度场分布

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       仿真条件:额定工况,MOS总体损耗263W,单个损耗为7.3W,铜排固定损耗0.1W,风速1.1m/s

       控制器腔体内外部温度分布

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      仿真条件:额定工况,MOS总体损耗263W,单个损耗为7.3W,铜排固定损耗0.1W,风速1.1m/s

      收敛曲线以及监控点表现

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       测试仿真数据对比

       由以下实验数据对比可以看出,模型的计算结果和实际的测量结果基本一致,模型的计算结果获得了很好的计算精度。

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小结:

       本文展示了基于Icepak对低压电机控制进行热分析的一般过程,通过ICEPAKE对低压控制器部分进行建模和热仿真分析,其仿真结果可以评估控制器内部的温度分布。该结果和实验室测得的结果基本保持了一致,对于实际的工况研究,是有力的数据验证和理论支撑。

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