自主仿真 | 基于PERA SIM Fluid逆变器热分析

摘要：本文基于PERA SIM Fluid通用流体仿真软件以逆变器模块为案例建立了多尺度电子散热的通用过程。整个仿真过程从导入几何模型，流体区域建立，到划分多面体网格、定义流体、固体区域，为各个体定义材料参数、添加边界条件，物理模型设置以及求解器设置，最终获得分析结果与后处理呈现的过程，实现了电子产品多尺度三维仿真。分析得到逆变器的整体温度分布与重要元件温度结果，对多尺度多域的电子产品模组散热分析具有一定的指导意义。

关键词：热分析，电子散热，多域多尺度

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1.引言

逆变器应用领域较广，如太阳能发电行业、风能转换行业以及工业自动化领域。在太阳能发电和风能转换系统中，逆变器用于将直流电转换为交流电以供电网使用。在工业自动化领域，逆变器用于控制各种电动机和设备，以实现频率调速和电压控制等功能。

逆变器的工作原理是通过将直流电源转换为可控的交流电源。首先，逆变器接收来自直流电源的输入，然后通过内部的电子元件（如晶体管或绝缘栅双极性晶体管）将直流电转换成相应频率和幅值的交流电。逆变器通常包括输入滤波器、整流器、中间环节、逆变器桥和输出滤波器等组件，以实现对电源的有效转换和控制。逆变器作为高功率电子产品通常会遇到散热上的难点，如散热效率低下，环境适应性，散热系统可靠性等热分析问题。

本文基于PERA SIM Fluid通用流体仿真软件以逆变器模块为案例建立了多尺度电子散热的通用过程。整个仿真过程从导入几何模型，到流体区域建立，划分多面体网格、定义流体、固体区域，为各个体定义材料参数、添加边界条件，物理模型设置以及求解器设置，最终获得分析结果与后处理呈现的过程，实现了电子产品多尺度三维仿真。分析得到逆变器的整体温度分布与重要元件温度结果，对多尺度多域的电子产品模组散热分析具有一定的指导意义。

2.问题描述

2.1 模块几何参数

本文研究对象为某逆变器模块，根据分析目的，对实际几何进行了电子散热仿真方向的简化，对传热影响较小的几何特征进行删除，如小倒角，距离热源较远且小尺度的细小结构。对发热元件及其主要散热路径上的几何特征尽量保持了原有的特性。

3.仿真模型的建立

3.1 模型建立及简化

导入stp格式的逆变器几何模型，该逆变器模型是表面封闭的模型（如图1），并包括内流体与外流体区域。内外流场已在几何中创建，此案例不需要创建的辅助几何。内外流场几何如图2。对于自然对流的外流区域按照一般自然对流外流畅大小标准，根据不小于整体几何最大尺度的向上方向2倍长度，向下方向1.5倍长度，前后左右方向0.5倍长度的方法进行流场创建。最大程度来减小边界对自然对流流动的影响。

图1几何模型

图2内外流场区域

使用几何菜单中的快速修复功能（如图3），设定合适的缝合容差值和去特征容差值，将逆变器模型的各个元件、外壳、PCB及其内外流体区域模型进行自动的缝合交叉，确认缝合交叉位置。由于较多电子元件被简化为规整的六面体几何形态，所以同时使用了查找结构化面设置，有利于之后的网格生成。

图3快速修复设置

3.2 网格划分

为保持整体几何特征与保证传热关键位置的网格尺寸，对元器件最小尺寸与最小对流gap的进行整体把控与测量后，通过全局尺寸进行网格控制。

固体最小网格层数保证2-4层或以上（如翅片与IGBT芯片），流动缝隙最小网格3-6层或以上（如翅片间隙），来保证基础及更精准的计算结果。最终生成的网格质量良好（如图7）。

图4整体网格分布

图5翅片间流动间隙网格分布

图6 PCBA整体与元件网格分布

图7网格质量评估

3.3 物理模型与边界设置

采用稳态计算，不可压流体。为计算自然对流与传热过程激活能量方程，打开重力项，添加重力加速度数值9.8m/s2与方向。

环境空气属性使用布西尼斯克假设来反应温升不高时候的浮力作用，密度和动力粘度值按照常温常压条件下的数值，例如密度为1.225 kg/m^3，动力粘度为1.7894e-5 kg/(m·s)，导热系数为0.0242 W/m-K，热膨胀系数为0.00367 /K。

图8固体材料参数

图9流体材料参数

图10热源功耗

3.4 边界条件

外流场所有边界条件设置为压力出口边界条件，压力按照一个大气压（表压为0Pa）的边界设置，湍流强度和长度尺度的方式为缺省默认设置。

图11边界条件设置

3.5 求解器设置

粘度模型使用K-wSST湍流模型。使用Couple算法，空间离散格式使用高精度的二阶迎风格式，由于封闭空间自然对流情况收敛较为困难，因此打开伪瞬态选项以加强自然对流计算收敛稳定性。为瞬态的时间步长设置为1s，固体为瞬态时间步长为1000s。

创建主要热源的温度监测点，作为随着计算迭代更新的监测值，辅助判断计算的收敛情况。设置计算迭代的残差收敛标准（如图15）：

图12求解算法、空间离散与时间离散

图13温度监控点设置

图14计算设置

图15收敛标准

4.计算结果分析

4.1 计算分析设置

计算开始后，通过残差曲线和监测曲线来查看计算的收敛情况，待计算的残差曲线平稳，监测的重要热源部位的温度曲线平稳认为计算收敛。通常需计算迭代约100步或更多。

图16计算残差与温度监控曲线

4.2 计算结果

计算完成后，通过仿真分析的监测曲线可以直接输出部分关注的分析结果，如温度等。

通过云图、矢量图、流线等方式对仿真结果进行可视化的分析，包括：

温度场结果云图分布：

图17温度分布结果

由于温度差异引起的自然对流与自然对流的换热效果：

图18自然对流效果分析

从以上的分析结果可以得到，在开放环境与额定工况下逆变器内部最高温度355K（82℃左右），外壳最高温度325K（52℃左右），并获得外壳上的自然对流流速度与强度，为后续散热设计提供数据参考。

5.总结

本文以国产自主研发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid，对逆变器发热与散热进行了热仿真分析流程，得到了逆变器模组在额定工况下整体的温度分布与最高温度位置以及外部对流换热强度，为逆变器模组现有设计的验证与后续产品的优化设计提供了一定的参考信息。

综上可得，作为国产自主研发的通用流体仿真软件，PERA SIM Fluid在计算逆变器温度场的过程中，能完整地对模型进行材料定义、网格划分、流体通用物理模型设置、分析求解和仿真结果可视化与数据处理。整体流程简单易用，流程完整且高效。

作者：上海安世亚太 高征宇