【汽车行业】仙童半导体的工程师使用ANSYS将热分析计算提高2000倍

仙童半导体的工程师使用降阶方法，能够显著缩短电动汽车和混合电动汽车电子组件的研发时间。工程师采用ANSYSIcepak和ANSYSSimplorer，分别进行热管理和多域系统设计工作，比完整3D热分析方法要快大约2,000倍。...



仙童半导体的工程师使用降阶方法，能够显著缩短电动汽车和混合电动汽车电子组件的研发时间。工程师采用ANSYS Icepak和ANSYS Simplorer，分别进行热管理和多域系统设计工作，并在高度保真的功率损耗条件下开展动态热分析，比完整3D热分析方法要快大约2,000倍。

在电动汽车和混合电动汽车领域，许多我们在内燃机汽车中习以为常的系统必须采用迥然不同的实现方式。除了主动力总成的电机-发电机套装，部分辅助系统也要实现电气化。例如由于这些车辆的发动机不会持续运行，靠电力驱动的空调（AC）压缩机和变速箱油泵替代了常见的辅助传动带驱动系统。所有这些电驱动装置都需要快速、高效、可靠的电力电子变换器。

半导体行业先驱品牌仙童半导体针对这类电力电子变换器生产了多种类型的功率器件，并为移动、工业、云、汽车、照明和计算行业提供了完整的低功率和高功率解决方案组合。典型的仙童转换器由六个绝缘栅双极晶体管（IGBT）阵列构成，每个IGBT搭配一个反向并联二极管，用于将车辆电池组提供的直流电压转换成驱动三相交流电压，从而驱动交流电机。每个“半桥”由两个IGBT和两个二极管构成，为电机的单相供电。单个IGBT和二极管对一起构成了一个双向开关，结合逆变器中的其他开关，按照脉冲宽度调制方法工作，可生成控制电机所需的交流波形。通过5到20KHz频率开关这些IGBT，可以得到脉冲直流电压。经平均后就能够在各相产生正弦波，各相三个正弦波间的相位差为120度。这种三相正弦驱动能在电机内产生旋转电场，通过闭环反馈系统精确控制，从而产生驱动载荷所需的扭矩。

电动或混合动力传动系统逆变器的额定功率介于50KW到100KW之间，交流压缩机的功率在6KW的范围之内，因此这些设备消耗的功率很大，热管理对它们的设计十分重要。传统的方法是仿真电路，判断特定工作条件下的功耗。然后将这些功率损耗作为3D热仿真的输入，用于预测IGBT和二极管的结温。这种方法一般需要大约8小时才能仿真数十毫秒的工作时间，以便在一系列给定工作条件下对一次设计迭代的热特征进行描述。此外，单独运行电气仿真和热仿真以及手动传递数据就占用了大量的工程时间。仙童工程师通过ANSYS Icepak研发出一种能在ANSYS Simplorer系统仿真环境中运行的系统级线性时不变（LTI）降阶模型（ROM），将热性能预测时间从数天、数小时压缩到数分钟，从而改进逆变器的设计流。

在电动汽车和混合电动汽车领域，许多我们在内燃机汽车中习以为常的系统必须采用迥然不同的实现方式。

验证ROM方法

仙童工程师为包括封装和外壳在内的三相逆变器创建了一个Icepak模型。他们运行了几次简单的仿真以验证模型的精度，然后开展了稳态仿真。随后他们在Icepak中针对一组输入和输出量开展了一系列阶跃响应分析，构建出一个紧凑的模型。对于逆变器，六个IGBT和六个二极管的功耗以及热沉温度通常可用作输入，而结温可用于提供一系列输出量。以完整描述的热系统为基础，该团队随后使用Icepak生成线性时不变降阶模型（LTI ROM），能够在Simplorer中用于仿真指定的电气和热条件，所需时间只是完整3D热仿真用时的一小部分。仙童工程师通过降阶模型在一两分钟内即可预测热性能，大大改善了逆变器的设计流程。仙童工程师根据完整的3D热分析来评估自己的初始ROM，以测试其精度。使用ROM在阶跃载荷测试中预测的所有组件的温度与完整3D热分析得到的预测值完美吻合（误差小于1%）。完整3D仿真的求解器用时大约为两个小时，而ROM只用一分钟左右即可完成运行。然后进行多种脉冲载荷测试，以比较ROM分析与3D热分析的结果。ROM结果仍然与3D分析极为吻合（误差级别小于2%）。在本案例中，3D模型用8小时求解了150毫秒的工作时间，而ROM用四小时求解了150秒的工作时间。本例中ROM带来了2000倍的加速，并仅用一半时间就提供超过1000倍的信息。仙童工程师认为没有必要使用物理测试验证结果，因为他们已经多次根据物理测试验证3D热分析，每次的结果都极为吻合。首次用于实体产品

仙童团队使用ROM方法为电动汽车的空调压缩机研发三相逆变器。工程师使用Icepak创建各组件、封装和外壳的ROM。他们将模型导入到Simplorer中，计算空调启动后压缩机电机转速为5,000rpm时对于逆变器的要求。ROM方法计算出每个器件的结温。在ROM研发完成后，Simplorer环境就能实现器件模型、载荷模型、封装模型和控制系统单元的集成，从而进行系统级性能预测和设计优化。工程师还可以通过修改电路参数，使模型在不同的工作条件下运行。

与之前的方法相比，ROM仅用一半的时间就提供了超过1000倍的信息。在这个项目中，ROM让仙童工程师能够从容应对设计规范的变更，以更短的时间评估设计备选方案，这一点利用传统方法简直望尘莫及。例如最初客户表示热沉的运行温度是85摄氏度，但物理测试显示实际运行温度是105摄氏度。工程师只是在Simplorer中修改一个参数，ROM几分钟之内就得出了更新后的结果。电机工作条件（例如开关频率）在设计过程中也经历了几次变更。而仙童工程师都能够迅速地评估每次变更的影响。

仙童工程师预计能为研发鲁棒性、可靠的逆变器节省大量时间。参与该项目的主要工程团队成员还发现，工作量也明显减少。他们充分相信，将基于ROM的分析方法与ANSYS工具集成到研发流程中，不仅能够降低工程费用，鼓励创新，还能为公司赢得更多产品研发项目。

将基于ROM的分析方法与ANSYS工具集成到研发流程中，不仅能够降低工程费用，鼓励创新，还能为公司赢得更多产品研发项目。



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