基于Icepak的電機控制器熱仿真

概述：在低壓電驅系統中，電機控制器作為能量轉換的關鍵部件，其內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，網格剖分和仿真計算部分，最后將實驗結果和仿真結果作了對比分析。

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，一般熱相關的材料參數包括三個：密度，比熱，熱傳導系數。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

       MOSFET模型采用雙熱阻網絡進行簡化（缺少真實的封裝數據），如下圖所示，在計算過程中Icepak將不對MOSFET模塊內部進行網格剖分，僅僅對其六個外表見進行網格劃分。

MOS管熱模型等效--基于熱阻網絡

2- 散熱基板等效模型以及材料參數

      散熱基板采用和端蓋外殼相同的材料屬性。

散熱基板熱參數設置

3- PCB & 銅排等效模型以及材料參數

      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：網格

       網格的質量關系到計算的準確性和收斂性，將模型進行多級網格剖分，提高MOSFET，散熱器和相變膜網格精細度。網格剖分后的結果如下圖：

1-散熱器網格概覽

       在該部分需要特別注意網格對CAD模型的貼合性，貼合不緊密的網格可能會對計算結果的準確性和收斂性產生影響。

2-網格質量參數評價

      網格質量通過三個參數進行評定，由下圖可以看出網格質量還是不錯的

網格質量參數評估

第四部分：條件設定

       邊界條件設定要綜合考慮模型的體量，計算的目標，以及對實際物理模型的評估，該模型為混合散熱模型：傳導-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。

損耗設定：

       設定MOSFET的單個損耗為7.3W，銅排的單個損耗為0.1W

第五部分：仿真結果

       該部分展示了Icepak最終的計算結果，可以從不同的維度呈現出控制器各個溫度場的分布，而計算結果的準確性則和模型的合理簡化，網格的精細剖分，收斂曲線的表現相關。

       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，風速1.1m/s

       控制器腔體內外部溫度分布

      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，風速1.1m/s

      收斂曲線以及監控點表現

       測試仿真數據對比

       由以下實驗數據對比可以看出，模型的計算結果和實際的測量結果基本一致，模型的計算結果獲得了很好的計算精度。

小結：

       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，其仿真結果可以評估控制器內部的溫度分布。該結果和實驗室測得的結果基本保持了一致，對于實際的工況研究，是有力的數據驗證和理論支撐。

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