基于Icepak的電機控制器熱仿真
概述：在低壓電驅(qū)系統(tǒng)中，電機控制器作為能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，其內(nèi)部包含大量的功率以及電子元件。溫度對其工作的壽命以及性能會產(chǎn)生重要的影響，因此需要對控制器進行全面的熱分析和評估。本文基于Icepake對低壓控制器部分進行了熱仿真，主要包含模型簡化，材料等效，網(wǎng)格剖分和仿真計算部分，最后將實驗結(jié)果和仿真結(jié)果作了對比分析。
第一部分：模型簡化
通過3D處理工具DM/SCDM對模型進行處理，去掉對熱影響較小的元器件，保留主要的功率器件和散熱單元。如下圖：
原始3D模型
簡化后3D模型
第二部分：材料等效
將簡化的模型輸入一定的材料參數(shù)，一般熱相關(guān)的材料參數(shù)包括三個：密度，比熱，熱傳導(dǎo)系數(shù)。如下為主要核心散熱元件的材料屬性選擇：
1- MOSFET等效模型以及材料參數(shù)
MOSFET模型采用雙熱阻網(wǎng)絡(luò)進行簡化（缺少真實的封裝數(shù)據(jù)），如下圖所示，在計算過程中Icepak將不對MOSFET模塊內(nèi)部進行網(wǎng)格剖分，僅僅對其六個外表見進行網(wǎng)格劃分。
MOS管熱模型等效--基于熱阻網(wǎng)絡(luò)
2- 散熱基板等效模型以及材料參數(shù)
散熱基板采用和端蓋外殼相同的材料屬性。
散熱基板熱參數(shù)設(shè)置
3- PCB & 銅排等效模型以及材料參數(shù)
PCB采用FR4材料，未對其敷銅率作定義；銅排采用CU-Pure 材料，功耗0.1W
第三部分：網(wǎng)格
網(wǎng)格的質(zhì)量關(guān)系到計算的準(zhǔn)確性和收斂性，將模型進行多級網(wǎng)格剖分，提高MOSFET，散熱器和相變膜網(wǎng)格精細(xì)度。網(wǎng)格剖分后的結(jié)果如下圖：
1-散熱器網(wǎng)格概覽
在該部分需要特別注意網(wǎng)格對CAD模型的貼合性，貼合不緊密的網(wǎng)格可能會對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和收斂性產(chǎn)生影響。
2-網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)評價
網(wǎng)格質(zhì)量通過三個參數(shù)進行評定，由下圖可以看出網(wǎng)格質(zhì)量還是不錯的
網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)評估
第四部分：條件設(shè)定
邊界條件設(shè)定要綜合考慮模型的體量，計算的目標(biāo)，以及對實際物理模型的評估，該模型為混合散熱模型：傳導(dǎo)-輻射-對流。因此需要考慮將迭代步驟加大至200，看最終的迭代效果。
損耗設(shè)定：
設(shè)定MOSFET的單個損耗為7.3W，銅排的單個損耗為0.1W
第五部分：仿真結(jié)果
該部分展示了Icepak最終的計算結(jié)果，可以從不同的維度呈現(xiàn)出控制器各個溫度場的分布，而計算結(jié)果的準(zhǔn)確性則和模型的合理簡化，網(wǎng)格的精細(xì)剖分，收斂曲線的表現(xiàn)相關(guān)。
仿真條件：額定工況，MOS總體損耗263W，單個損耗為7.3W，銅排固定損耗0.1W，風(fēng)速1.1m/s
MOSFET表面溫度場分布
仿真條件：額定工況，MOS總體損耗263W，單個損耗為7.3W，銅排固定損耗0.1W，風(fēng)速1.1m/s
控制器腔體內(nèi)外部溫度分布
仿真條件：額定工況，MOS總體損耗263W，單個損耗為7.3W，銅排固定損耗0.1W，風(fēng)速1.1m/s
收斂曲線以及監(jiān)控點表現(xiàn)
測試仿真數(shù)據(jù)對比
由以下實驗數(shù)據(jù)對比可以看出，模型的計算結(jié)果和實際的測量結(jié)果基本一致，模型的計算結(jié)果獲得了很好的計算精度。
小結(jié)：
本文展示了基于Icepak對低壓電機控制進行熱分析的一般過程，通過ICEPAKE對低壓控制器部分進行建模和熱仿真分析，其仿真結(jié)果可以評估控制器內(nèi)部的溫度分布。該結(jié)果和實驗室測得的結(jié)果基本保持了一致，對于實際的工況研究，是有力的數(shù)據(jù)驗證和理論支撐。
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