电力电子装置的多物理场的耦合模型及优化设计分析

2018-05-28张华文

电子技术与软件工程 2018年8期

文/张华文

电力电子装置的损耗情况及电磁感应问题，是影响装置性能的主要因素。近些年来，随着装置开关器件功率密度的提升，上述问题逐渐加剧。如何降低损耗、提高电力电子装置的性能，已经成为了电力领域研究的主要方向。实践经验显示，建立多场耦合模型，可为电力电子装置的优化设计提供清晰的思路。可见，对电力电子装置的多物理场的耦合模型及优化设计方法加以探讨较为必要。

1 电力电子装置的多场耦合问题

多场耦合问题，属于电力电子装置运行过程中存在的主要问题。指在同一系统中，两个或两个以上的场相互作用而产生的现象。电力电子装置中存在的物理场，包括热场、磁场及电场等多种。以热场为例，装置的热阻、散热器性能及风机的性能，均属于影响热场强度的主要因素。为实现对“场”的控制，首先必须建立其数学模型。在此基础上，通过求解偏微分方程等方式，得到最终的优化设计数值。目前来看，多场耦合问题的求解方法共包括四种，详见表1。

2 电力电子装置多物理场的耦合模型及优化设计方法

本章以热场为例，对电力电子装置多物理场的耦合模型及优化设计方法进行了探讨：

2.1 分析方法及流程

电力电子装置热分析方法见表2。

电力电子装置热设计流程见表3。

2.2 元件功耗

电力电子装置元件包括变压器及二极管等多种，以二极管为例，该元件的功耗计算公式如下：

上述公式中，VF代表导通压降，VR代表关断电压。将各项数值代入至公式中，计算可得元件的各项参数如表4。

2.3 耦合模型的建立

2.3.1 电源结构模型

电力电子装置电源由逆变元件、整流元件、挡板等构成。其中逆变元件的构成较为复杂，包括抽风机、IGBT模块、电容、变压器及散热器等多项结构。其中抽风机的功能主要在于降温、变压器的功能在于调节电压、散热器的功能在于散热，避免电源因过热而出现故障。

2.3.2 热阻模型

电力电子装置热阻计算公式如下：

公式中，R代表热阻，A代表电流。

计算后，得到逆变部分的散热器参数见表5。

2.3.3 风机与散热器模型

电力电子装置风机耦合模型见表6。

为确定散热器尺寸，对之热阻加以计算较为重要。散热器热阻的计算公式：

R=△t/P

公式中，R代表散热器热阻、△t代表元件热度与空气温度的差值，P代表发热元件的功耗指标。将各项数据带入上述公式后，即可得到最终数值。

2.4 仿真及优化

2.4.1 仿真模型

本课题所建立的电力电子元件仿真模型，由整流桥、变压器、电容、IGBT模块等构成。其中，变压器及IGBT模块的宽度，分别为70mm及106mm。根据国家标准要求，电力电子元件的散热器宽度应≥180mm，为满足国家标准要求，本课题决定将其尺寸确定为180mm×90mm×420mm。

2.4.2 散热器优化

结合耦合模型及仿真设计指标，本课题采用FLOTHERM软件，对散热器进行了优化设计。通过对仿真设计结果的对比发现，当散热器宽度达到200mm时，随宽度的增加，电力电子装置温度的变化幅度逐渐减小。表明，200mm为散热器的最佳宽度指标。

2.4.3 实验及结果

为判断上述仿真结果是否能够达到减少装置功耗的目的，本课题采用实验的方式，对元件的功耗情况进行了观察。实验中所应用到散热器尺寸为200mm×90mm×420mm，整流部分尺寸为180m×150mm×420mm，风速5m/s。测量后发现，实测温度与仿真温度的误差≤2.1。表明采用上述方法优化，能够达到提高电力电子装置性能，降低其功耗的目的。

3 结论

综上所述，针对电力电子装置的多物理场建立耦合模型，并以之为基础，对装置元件的尺寸等进行优化设计，能够达到降低元件功耗的目的。电力领域可将上述方法拓展应用到磁场以及电场等物理场的优化设计过程中，在建立耦合模型的基础上，利用偏微分方程计算相应参数。并采用FLOTHERM软件进行仿真设计，得到优化设计结果，为电力领域的长远发展奠定基础。