• Facebook
  • LinkedIn

Nowe możliwości pakietów Simcenter Flotherm, Simcenter FloEFD oraz Simcenter Flomaster wychodzące na przeciw termicznym wyzwaniom jakie towarzyszą układom energoelektronicznym

Oprogramowanie Simcenter FloEFD oraz Simcenter FloTHERM z portfolio Siemens Digital Industries Software

Elektroniczne urządzenia mocy - MOSFET-y, diody, tranzystory SiC oraz IGBT - są używane wszędzie tam gdzie mamy do czynienia z przetwarzaniem lub kontrolowaniem energii elektrycznej.

Przykładowe aplikacje to:

  • Turbiny wiatrowe
  • Trakcja szynowa
  • Inwertery dla fotowoltaiki
  • UPS-y
  • Sterowanie napędami pojazdów HV/HEV, oraz ładowarki akumulatorów
  • Moduły mocy sterujące silnikami

Wyzwaniem dla producentów oraz aplikacji, gdzie są one stosowane jest konsekwentny w czasie wzrost poziomu maksymalnych obciążeń przy dążeniu do zachowania niezawodności. Producenci w ramach ciągłej innowacyjności wprowadzają ciągle nowe ulepszone technologie, takie jak:

  • bezpośrednim łączenie do podłoża miedzianego co poprawia współczynnik przewodzenia ciepła
  • łączenie za pomocą taśmy, która zastępuje cienkie druty połączeniowe
  • bezlutowe połączenia chipu z podłożem w celu zwiększenia żywotnosci pod kątem ilości cykli power on-off

Efektem stosowania nowych podłoży jest obniżenie temperatury pracy, taśmy mogą wytrzymywać większe prądy, a bezlutowe połączenia struktur mogą być ze spieków srebra o bardzo niskiej oporności termicznej. Wszystkie te metody przyczyniły się do polepszenia właściwości termicznych. Jednak w praktycznych aplikacjach wiele innych czynników wpływa na termiczne i termomechaniczne naprężenia, które potęgowane olbrzymimi ilościami cykli zasilań (power on-off) prowadzą do problemów. Nalezą do nich:

  • degradacja połączeń
  • zmęczenie materiału połączeniowego struktury
  • delaminacja warstw stackup-u podłoża
  • pęknięcie podłoża lub samej struktury

Specyfika zastosowań oraz charakter pracy tych urządzeń powoduje, że niezawodność jest kluczowa dla samej istoty i sensu ich stosowania. Np. w turbinach wiatrowych umieszczonych na morzach lub oceanach, matrycach solarnych na satelitach gdzie serwis jest bardzo drogi lub wręcz nie ma takiej możliwości. W pojazdach elektrycznych i hybrydowych zakłada się okres 15-20 lat bez wymiany modułów mocy. Urządzenia inwerterowe często umieszcza się w szczelnych obudowach ze względu na warunki pracy oraz bez aktywnych układów chłodzących.

Jednym z pytań staje się, jak mogą zostać przetestowane na spodziewany okres niezawodności bez umieszczania ich w testowych środowiskach na lata?

Wiele możliwości w określaniu niezawodności oraz wsparciu procesu projektowania w kierunku świadomego wpływu na jej kształtowanie daje oprogramowanie. Dokładne przewidywanie temperatury jest kluczowe dla zrozumienia niezawodności urządzeń elektronicznych podczas użytkowania w różnych warunkach. Ważnym elementem jest możliwość symulacji cykli związanych z zasilaniem (power on-off), a np. dla pojazdów elektrycznych całych cykli jazd. Symulacja stanów nieustalonych zatem może stanowić tu szczególne wyzwanie.

Oprogramowanie Simcenter FloEFD oraz Simcenter FloTHERM z portfolio Siemens Digital Industries Software jest w stanie wyodrębnić model BCI-ROM (Boundary Condition Independent - Reduced Order Model). Utrzymuje on przewidywalną dokładność we wszystkich sytuacjach, można za jego pomocą rozwiązać zadania o rzędy wielkości szybciej, zapewniając olbrzymi wzrost produktywności. . Metoda ta zapewnia alternatywę w stosunku do dynamicznych kompaktowych modeli termicznych opartych na termicznych układach R i C. Symulują one zwykle obudowy jako pojedyńcze źródła energii. Technologia BCI-ROM umożliwia rozwiązanie problemu przewodnictwa liniowego z dowolną liczbą źródeł ciepła z taką samą dokładnością, jak w przypadku pełnego 3D modelu przewodnictwa do 40 000 razy szybciej.

Technologia modelowania BCI-ROM zapewnia również odpowiednie dane dla innych środowisk symulacyjnych. Modele ROM w postaci tablic mogą być używane w MathWorks MATLAB lub w Octave na licencji GNU. A w przypadku analizy stanów stabilnych nawet w Microsoft Excel. Modele te są również wspierane poprzez modele SPICE dla elektro-termicznych symulacji w SystemVison Cloud Mentor Graphics.

Zastosowanie technologii dotyczy:

Oprogramowanie Simcenter FloEFD oraz Simcenter FloTHERM z portfolio Siemens Digital Industries Software

Power Electronics

Symulowanie wahań temperatury występujących w inwerterze pomiędzy napędem silnika a baterią jest ważnym czynnikiem do oceny rzeczywistej niezawodności. Modelowanie mocy pojazdów elektrycznych oraz systemu chłodzenia, prędkości w funkcji czasu w standardowym cyklu jazdy można przekształcić w straty mocy falownika w funkcji czasu wykorzystując oprogramowanie Simcenter FloMASTER. Dane dotyczące mocy w funkcji czasu można następnie wykorzystać jako dane wejściowe dla BCI-ROM jednostki invertera. W ten sposób umożliwiając dokładne przewidywanie temperatury w funkcji czasu w całym cyklu jazdy. Gromadzenie danych odnośnie wielkości i wahań temperatury może być również wykorzystane do obliczenia wynikającego z tego uszkodzenia zmęczeniowego falownika i jego żywotności.

Digital Electronics

Nowoczesna elektronika cyfrowa posiada złożone strategie zarządzania energią. Za pomocą tego modułu strategie można testować w szerokim zakresie przypadków użycia i warunków środowiskowych. Każdy przypadek użycia może mieć unikalny zestaw mocy komponentów i specyficzną mapę mocy dla każdej kości. Scenariusze mogą nawet rozważać kombinacje przypadków użycia. Na przykład w przypadku telefonu komórkowego - przez jedną minutę wykorzystywany jako telefon, następnie do transmisji video, lub nawigacji podczas ładowania telefonu w samochodzie. Te przypadki użycia stawiają różne termiczne wymagania dotyczące różnych części systemu. Logikę sterowania można zoptymalizować w celu zapewnienia, że rozwiązanie chłodzenia zapewni możliwie najlepsze wrażenia użytkownika, minimalizując potrzebę obniżania wartości znamionowych poprzez redukcję częstotliwości zegara przy jednoczesnym utrzymaniu temperatury podzespołów obudowy w dopuszczalnych granicach. I co ważne , godziny czasu rzeczywistego można symulować w ciągu kilku minut.

Oprogramowanie Simcenter FloEFD oraz Simcenter FloTHERM z portfolio Siemens Digital Industries Software

Analiza termiczna kluczem do sukcesu

Dowiedz się, w jaki sposób FloEFD oraz Simcenter FloTHERM
mogą zwiększyć niezawdność projektowanych przez Ciebie produktów i zwiększyć zadowolenie klienta.

Dowiedz się więcej Skontaktuj się z nami

Oprogramowanie Simcenter FloEFD oraz Simcenter FloTHERM z portfolio Siemens Digital Industries Software

Uzyskaj dostęp do zbioru materiałów z których przekonasz się o możliwościach analizy termicznej w procesie projektowania urządzeń