逆变器热仿真案例

SimLab 电子产品热流体仿真

电子产品热仿真主要关注产品在不同工作状态下的热能分布与流动。SimLab Electronics Thermal 是一款专门用于热分析的工具，其功能强大，流程明确，适合电子产品热流体仿真。首先，SimLab Electronics Thermal 在分析流程中，将导入的CAD模型先离散成网格化的几何，形成六面体网格，关键部位可采用Mesh Control工具进行局部加密。对于薄片特征，通过Key Planes工具指定，其位置能随几何尺寸变化自动更新。

在PCB板建模方面，SimLab提供PCB简化工具，既可以整体简化，也可以精细到每一层。选择“Simplify PCB as a single body”选项时，SimLab会自动将多层PCB转换为均匀的材料。此外，该工具还考虑了等效热、电和机械属性，用于强度分析和疲劳失效分析。

SimLab Electronics Thermal 在芯片热模型、液冷模型、传感器、机箱出风口模型、温度控制器、风扇模型、半导体制冷模型等方面均有深入研究。液冷模型允许用户选择不同湍流模型，覆盖空气冷却和液冷区域。传感器模型、机箱出风口模型、温度控制器等，都能实现对复杂系统的优化设计，确保高效散热和精确控制。风扇模型与半导体制冷模型，则分别针对风扇散热与利用Peltier效应进行制冷，提供多样化的散热解决方案。

SimLab Electronics Thermal 还支持交互式设计变动，允许用户快速调整模型中的元器件位置，以适应不同设计需求。通过调整模型参数，如风扇开/关状态、电流、电压、温度控制等，可以实时观察设计变动对系统性能的影响。此外，SimLab 还提供了批量设计变动研究功能（DOE），通过参数化研究，如散热片的翅片个数N和高度H对CPU和变压器温度的影响，优化设计以达到最佳热性能。

SimLab Electronics Thermal 提供了多个案例分析，涵盖了航空电子机箱风冷仿真、PCB板自然冷却、电动汽车逆变器温度场分析、PCB板的热固耦合分析、电热耦合分析等。通过对比不同模型的温度分布，例如考虑铜层的模型与忽略铜层的模型相比，具有更好的散热效果，最高温度显著降低。此外，分析Busbar的焦耳自发热现象时，SimLab能够输入材料的电阻率、电流和电压，自动耦合求解温度场和电场方程，提供精确的热固耦合和电热耦合分析结果。

综上，SimLab Electronics Thermal 提供了从网格建模、PCB板简化到热仿真模型构建、批量设计变动分析等全面的热流体仿真解决方案，旨在优化电子产品在不同工作状态下的热性能，提升产品可靠性和能效。

我用一对IRF3205场管做了个简易逆变器，带动40瓦灯泡，管子总是发热，只启动几秒钟就发烫烧好几

EI40,这个电路似乎不对，你的变压器磁芯压紧别留气隙，用胶水黏好。

那两个电阻阻值看不见，应该用1--2W电阻，阻值180--330欧，同时在每个开关管G---S极加入一个关断电阻，阻值120--220欧，功率同样用1--2W，这两个阻值并非固定，可以自己选择，你现在这样开关管可能没有关断导致烧管。

逆变器H桥发热不均匀这种现象是如何产生的？

逆变器H桥发热不均匀可能由多种因素导致。

从功率器件特性方面来看，H桥由多个功率开关管组成，若这些开关管的参数不一致，比如导通电阻、开关时间等存在差异，在相同的工作条件下，导通电阻大的管子功耗就会更高，产生的热量也就更多，从而导致发热不均匀。

驱动信号问题也可能引发该现象。H桥的四个开关管需要准确的驱动信号来实现正常的逆变功能。如果驱动信号的幅值、相位或时序存在偏差，会使开关管的导通和关断时间不准确。例如，某个开关管的导通时间过长，其在一个周期内消耗的电能就会比其他管子多，进而导致该管发热更严重，造成发热不均匀。

散热条件不同也是一个原因。H桥各部分的散热结构和散热效率如果不一致，也会出现发热不均。比如散热器与某个开关管的接触不良，该开关管产生的热量不能及时有效地散发出去，就会比其他散热良好的管子温度高，表现出发热不均匀。

此外，负载不均衡也可能致使H桥发热不均匀。当逆变器连接的负载在各相之间分配不均衡时，各相电流大小不同，流经H桥不同支路的电流也会有差异，电流大的支路功率损耗大，发热也就更明显。

自主仿真 | PERA SIM Fluid在电子散热冷板热仿真中的应用

本文基于安世亚太自主研发的高级通用流体CFD软件PERA SIM Fluid，对某逆变器所用的水冷板进行热仿真CFD计算。讲解内容包括模型处理、网格划分、求解设置及后处理显示的步骤及操作流程。操作步骤如下：

一、模型处理

1）导入模型：PERA SIM Fluid可导入多种CAD模型格式，用户可直观检查模型特征及颜色。

2）建立、封闭冷板进出口边界：使用几何面板创建边界面模型，分别命名为进口in和出口out。

3）抽取水冷板内部流体空间：使用快速修复和识别体功能，抽取冷板内部流体空间，同时删除体热源模型，重命名面以显示共享面。

二、网格划分及检查

1）设置网格参数：全局设置网格尺寸，局部设置边界层网格，满足CFD计算需求。

2）网格划分：使用PERA SIM Fluid对模型进行网格划分，自动隐藏模型并显示网格模型树，划分过程显示在消息窗口。

3）网格质量检查：使用多种网格质量检查标准，确保网格满足通用流体求解器的计算要求。

三、CFD求解计算

设置CFD计算参数，包括能量方程、湍流模型、流体材料、热源输入、离散格式、迭代因子等，启动求解器计算。

四、CFD后处理显示

比较PERA SIM Fluid与ANSYS Fluent计算结果，验证计算精度，结果显示两者结果极其接近。

五、写在最后

PERA SIM Fluid将模型处理、网格划分、求解设置及后处理集成，操作简洁高效，适合各类工业品热流特性的求解验证。

PLECS仿真软件培训教程及案例讲解

PLECS仿真软件是由瑞士Plexim GmbH公司所开发，应用于电力电子和传动系统设计与分析。其系统级电路与控制结合的多功能仿真功能，为开发者与研究者提供了高效便捷的工具，加速电气系统研究与设计进程。

PLECS提供快速高效的仿真，以及易于使用的开放式元件库，支持热、磁、机械等多维度建模。热建模利用查表法快速仿真损耗，磁建模通过磁导电容类比，机械建模则执行一维转动和平移力学分析。

仿真过程中，可采用稳态分析和小信号分析作为工具。小信号分析涵盖了开环传递函数、闭环传递函数及阻抗分析等。此外，PLECS支持自定义控制码与仿真脚本功能，包括内置脚本与外部脚本的使用。

软件提供两种版本：嵌套版与独立版，皆包含电力元件库与控制模块库。嵌套版PLECS与Simulink集成，使用Simulink求解器，支持利用Simulink或嵌套版中的模块搭建控制回路。独立版PLECS则具备独立仿真平台与优化求解器，总成本较低。

仿真结果准确性取决于模型的准确性和简洁性。在建模阶段，需识别目标系统的关键功能，简化描述元件细节，并使用建模语言将模型输入计算机。仿真阶段，通过计算机将模型转换为数学方程式，使用规定容限求解，输出数值结果。

案例展示：基于NPC1的136kW光伏逆变器的PLECS仿真，具体包括电路拓扑搭建与波形信号监控。

欲深入了解PLECS高级建模与仿真技术，可下载《PLECS电子电力系统高级建模与仿真》培训教程。更多英飞凌产品信息，请访问英飞凌官网。

PLECS应用范例（77）：三相T型逆变器（Three-Phase T-Type Inverter）

本演示介绍了一种三相T型逆变器，用于部署Wolfspeed SiC MOSFET的并网应用。T型逆变器类似于三电平中性点箝位（NPC）逆变器，因为它在0V时增加了额外的输出电压电平，从而比标准的两电平逆变器提供了更好的谐波性能。T型逆变器的优点是减少了部分计数和减少了外部开关器件的传导损耗，但缺点是阻断电压降低。演示模型显示了一个额定值为22 kVA的T型逆变器示例，该逆变器将800 V直流母线转换为三相60 Hz、480 V（均方根）配电，用于工业应用。

T型逆变器的热性能受到设备选择、控制器参数和调制方法的影响。在演示模型中，所有12个器件均配置为演示不同Wolfspeed SiC MOSFET的热损耗性能。每个半导体器件被建模为具有定制掩模配置的子系统，每个都有自己的热模型。设备断言（Device Assertions）会检查设备在安全操作区域内的运行情况，并生成警告。

控制器实现的高级示意图如图4所示。图5所示的去耦合同步参考框架电流控制器用于为调制器生成dq电压参考，调制器则将变频器的输出电流调节到所需的设定点。控制器包括直接电流和正交电流的PI调节器，电压参考的相位角由一个简单的同步参考框架锁相环（PLL）测量得到。使用PLL的角度输出，电压参考值被转换为三相电压参考值，并送入一个调制器。调制器的实现可以采用不同的调制方法，包括经典的正弦脉宽调制（SPWM）、空间矢量PWM（SVPWM）、三次谐波注入PWM（THIPWM）、三次谐波零序PWM（THZSPWM）和不连续PWM（DPWM）。

使用提供的模型运行仿真，可以观察到每个相支路的PWM信号、输出交流电流、设备S11和S12的信号以及系统的计算损耗。参数扫描是确定设计决策如何在一系列操作条件下影响变换器性能的有效方法。通过操纵调制方案、开关频率、停滞时间、控制器设定点和控制器增益，可以试验控制器设置。此外，还可以分析设备类型、并联设备的数量以及外部冷却或更大散热器的影响。所有这些设置都会影响损耗行为和系统效率。如果设备在安全操作区域外运行，模拟窗口的右下角将出现一个警告图标，以确定违反了哪些操作标准。

模型重点介绍了用于工业配电网应用的三相T型逆变器。通过简单的设备和控制器设计，突出了PLECS的热建模能力。此模型可用作研究控制器设计对其他拓扑效率影响的示例。

逆变器H桥出现发热不均匀情况的原因是什么？

逆变器H桥出现发热不均匀情况，原因主要有以下几方面。

电路参数不一致是常见原因。H桥由多个功率器件组成，若这些器件的参数，如内阻、导通电阻等存在差异，在相同电流下，根据焦耳定律，电阻大的器件发热就会更严重，从而导致发热不均匀。例如，不同批次生产的功率晶体管，其内阻可能有细微差别，会造成发热差异。

驱动信号问题也会引发该现象。H桥中各功率器件需要准确且对称的驱动信号来保证正常工作。若驱动信号的幅值、相位、占空比等参数不一致，会使功率器件的导通和关断时间不同，导通时间长的器件消耗功率大，发热就多。比如驱动电路中的电容、电感参数变化，可能导致驱动信号异常。

散热条件不同同样会导致发热不均匀。如果H桥各部分的散热结构设计不合理，比如散热片与器件的接触紧密程度不同、散热风道不畅等，会使得热量散发速度有差异。接触不好的地方热量积聚，温度升高快，出现发热不均匀。此外，工作环境中的气流分布不均匀，也会影响散热效果。

PLECS 应用示例（77）：三相T型逆变器（Three-Phase T-Type Inverter）

本文展示了一款用于并网应用的三相T型逆变器，采用Wolfspeed SiC MOSFET。图1显示了电路图，演示了如何选择器件、控制器参数和调制方法以影响逆变器的热性能。模型研究了逆变器在不同运行条件下的性能，确保系统安全高效运行。

T型逆变器类似于三电平中点箝位（NPC）逆变器，提供改进的谐波性能，同时减少零件数量和外部开关器件的导通损耗。本示例展示了一个22 kVA额定功率的T型逆变器，将800 V直流母线转换为三相60 Hz、480 V（线路，rms）配电。

模型配置了三种不同开关类型的SiC MOSFET，分别具有不同的额定电压、额定电流和RdsOn值，用于评估其热性能。每个器件都被建模为具有定制掩模配置的子系统，包括MOSFET和体二极管，以及热模型。组件掩模参数包括导通电阻和体二极管正向电压，以确定电流流过路径，影响开关损耗。

控制器采用解耦的同步参考系电流控制器，用于生成dq电压参考，通过独立的PI调节器将逆变器输出电流调节至设定点。PI控制器包括去耦前馈项，使用简单的同步参考帧锁相环（PLL）测量电压参考相位角，然后转换为三相电压参考，馈送到调制器，用户可选择不同的调制方案。

调制器组件实现不同的调制方法，如SPWM、SVPWM、THIPWM、THZSPWM和DPWM，以比较其对半导体损耗的影响。例如，DPWM在单位功率因数下的损耗最低，但当功率因数角接近0.5时，SPWM和SVPWM方法显示出较高的损耗。

通过操纵控制器设置、调制方案、开关频率、死区时间、控制器增益以及分析设备类型、并联设备数量和外部冷却或散热器的影响，可以试验控制器设置并分析系统级电气规格。参数扫描是确定设计决策如何在一系列操作条件下影响转换器性能的有效方法。

该模型突出显示了PLECS的热建模能力，并可以作为研究控制器设计对其他拓扑结构效率影响的例子。

湖北仙童科技有限公司 高端电力电源全面方案供应商 江生 13997866467