高压电源温度场的仿真分析与检测实现

摘 要
功率电源设备的设计开发日益趋向小型化、通用化，功率密度的提高使得设备内部更加紧凑，选择合理的散热方式，解决电子设备中热量的散发，让高发热量器件保持在其容许的温度范围以下是保证功率电源可以正常工作的必要条件，因此功率电源开发的前期需要考虑诸多因素，如何能够在满足电性能要求的目标下使得结构更加紧凑，器件布局和风道更加合理，散热更加可靠，功率电源的长时间工作更加可靠。
本论文开展了高压电源温度场的仿真分析与检测的研究，采用ANSYS有限元商用软件进行了高压电源内部温度场的热仿真模拟计算，完成了高压电源样品硬件设计与热分布设计。模拟和实验数据表明，采用本文的优化热设计后，使得某高压电源设备内部温度场分布更均匀合理，改进了电源内部器件的布局，优化改善了风道设计与，使得高压变压器部件温升较未优化前降低了10摄氏度，滤波电容部件温升降低了11摄氏度，IGBT模块温升控制在允许范围之内，并获得实验验证。
本论文还设计了温度检测系统，利用VB软件绘制了高压电源的控制界面，编写了温度检测的控制程序，结合上位机、TMS320F28335控制器、TMP100温度传感器和保护电路形成检测系统，该系统具有原理简单易懂，操作方便快捷，界面简洁等特点。
关键词：高功率密度，仿真分析与检测，有限元分析，热设计，温度检测。
第一章 绪 论
1.1 研究工作背景和意义
电子技术日益更新，功率电源的热流密度不断提高，发热量不停的增加。选择合理的散热方式，控制功率器件的温度，使得功率器件在容许的温度条件下正常运行，使其长期正常可靠的工作。过去的高压电子产品的结构及布局凭借经验设计，缺少理论依据和精确计算，一般选择冗余量较大，造成设备空间浪费，功率密度较低；另一方面，热检测手段缺乏，只能凭借感觉来优化提高设备结构紧凑性，然而这些优化方法不具备通用性。现在软件及监测手段的增加和提升，使得这些问题一定程度上具备较好的解决思路，如通过商业热分析软件模拟来优化产品热结构设计，制成样机后通过热测试检测系统来进一步优化热参数，从而为产品的总体性能优化提供了可靠热数据支持。
本论文主要研究工作结合热分析软件、传感器、控制芯片及VB控制界面监控，设计一套高压电源温度场的仿真分析与监测系统，可以检测出电源系统内部温度场的分布状态。本论文选用ANSYS软件开展高压电源设备温度分析与热结构设计，然后通过样机实验监测实际温度分布，通过模拟数据和实验测试的比较，为产品总体电、热性能优化提供支持；最后编制温度数据图表。
本论文研究成果为功率电源设备小型化设计提供了一种有效的检测和保护方法，使得功率电源设备布局更加合理，有助于进一步提高公司高压电源产品稳定性、寿命与市场竞争力，同时缩短产品研制周期，降低成本。
1.2 国内外研究动态
电子设备中器件的温度直接影响到其性能，因体积空间受限，功率密度的提高不断提高，散热环境恶劣，器件的散热更加困难，进行热设计方面的考虑提高散热效率，增加系统的可靠性，因此热设计成为功率电源设计不可或缺的一种手段，热设计中热仿真分析可以通过图形直观表达给操作者，是一种比较节省成本的前期设计，在虚拟环境调整布局，改变风道，改进优化设计空间，可以有效的控制各个器件的在允许的温升范围内正常工作，可以减少开发成本，提高设计成功率，有效的增加了可靠性，缩短了周期，降低了成本。
目前，国内的电子行业都开始广泛应用热分析，增加热设计的深入研究，普及了设计分析软件的使用，但是并没有将功率电源的热设计作为一种重要手段，仍然依靠在设计实践中的工作经验作为设计开发的主导思想，往往设计依据缺乏理论数据的支持，对于很好的设计产品或是设计思想没有起到传承的作用。
国外电子设备的热分析起步于上个世纪六十年代，八十年代的时候已经被大规模的应用到功率设备的开发和研究中。至今，国外的热设计方法很成熟，已经开始热分析技术方面的研究，主要研究了封装芯片的热分析，功率模块的可靠性研究，边界条件的设置以及迭代算法的开发，软件平台的开发。其中Luke Maguire应用流体动力学解决功率器件的热问题并且计算温度。John N.Funk就PCB稳态温度算法，提出半解析法，建立传热方程[1-5]。
上个世纪六十年代中期，从有限元概念的出现到今天在设计开发中得到广泛使用，理论和算法在三十年的发展中已经渐渐完善。七十年代初期，ANSYS软件应客户要求诞生，使得程序产生巨大的变化，许多的单元类型添加到子程序中，优化了模型和结果处理。ANSYS使用虚拟设计的方法，帮助客户减少工程样机的材料和时间的浪费，在一个工程设计中被用于整个产品设计开发分析，各个模块间实现相互协作。ANSYS的应用使得仿真分析更加逼真，其热分析流程也固化了。热设计流程为1、几何建模；2、输入材料属性；3、边界条件；4、初始条件；5、加载求解；6、得出结果。
控制芯片、传感器的应用于大功率电子设备的温度场检测，有助于获得准确的温度信息，以利于确定电子设备的运行情况，更便于调度人员及时采取措施，消除异常，避免设备的损坏和事故的发生。
温度传感器成为一种检测温度的必要工具，其应用也更加普遍。在功率电源设备中也需要使用温度传感器，不过仍然有几点：1、温度传感器在功率电子设备中采集温度数据需要开发关系模型。本文中需要通过仿真计算，在电子设备中选择合适位置作为取样点。2、温度传感器的精度与其价格成正比，一定程度上制约其在功率电源设备中普及，因为价高使其在功率电源监测使用的实际意义不大。本文中结合功能实现、价格、安装方式等因素选择一种合适温度传感器。
利用VB软件联合控制芯片、温度传感器等器件可以实现温度场实时检测。采用VB设计人机交互控制监测界面，并通过串口通信实现计算机与DSP的数据互换，实现了成本低、距离远、实现简单的通信。
1.3 本文的研究目标和研究内容
本论文的研究目标为完成高压电源温度场的仿真分析与监测实现，系统可拓展于其他电子设备温度场的仿真分析与监测应用；具备通用性很强特点，原理通俗易懂；VB软件的人机交互界面操作非常便捷，开发周期短；绘制图形方便快捷。
研究内容为通过学习有限元法软件使用原理，开展有限元仿真软件在热设计方面的应用研究，设计高压电源的模型及计算参数，建立高压电源模块典型热结构模型，分析研究热场仿真结果，优化改进热设计参数，建立样机并进行温度检测的验证。
本论文的特点和创新如下：
（1）采用ANSYS软件完成了高压电源热设计仿真模型的建立及分析，给出了一个有效的模块热设计方案，并获得实验温度分布检测数据验证；
（2）基于温度传感器和DSP技术，完成了一套高压电源温度场检测及保护系统硬件设计与实现；
（3）完成高压电源样机控制保护功能的设计，采用集成于印制板的开发，依据某一元器件位置的温度实现常开温度开关的关闭，通过电路控制电源的充电，温度降低，温度开关打开，电路可以正常使用，实现电路的可逆保护控制。
第六章 全文总结与展望
6.1 全文总结
本论文开展了高压电源温度场的仿真分析与检测的研究，利用ANSYS有限元商业软件进行了高压电源内部温度场的热分析模拟计算和热设计优化研究工作；结合产品硬件设计，完成了高压电源的样品实现。主要研究工作如下：
1、阅读了与论文相关的文献书籍，了解有限元分析原理和仿真软件的发展，学习了热设计原理，了解了传感器使用现状，学习使用检测技术。
2、结合热设计原理以及样机数据资料固化的要求，绘制了高压电源的基础三维模型，并完成高压电源中高压变压器、谐振电感、电感、IGBT模块、整流桥、快恢复二极管、滤波电容等主要功率器件的损耗计算。
3、完成高压电源仿真模型的建立以及简化处理，通过对高压电源温度场的有限元分析与对比，得出以下结论：
（1）通过仿真设计可以得出所有器件及单个器件温度分布云图，机箱内的流速云图，结合分析结果调整内部构造，优化器件和风道设计，得到更优秀的器件表面温度云图。
（2）通过分析得出需要特别关键的器件，并对其进行专门的散热改进以及风道设计，得出单个器件的表面温度分布图，并对其进行专门的保护设计，确保使用过程不损坏器件。
（3）通过对比分析得出的图表等理论数据更有直观说服力。对理论数据的分析得出本文中需要检测的温度数据，通过样机检测来验证仿真的理论数据的正确性，通过实测数据修正仿真设计参数。
4、选择合适的检测方法，完成控制器及传感器的选型，查阅资料并学习控制器及温度传感器的使用。
本论文还设计了温度检测系统，利用VB软件绘制了高压电源的监控界面，编写了温度检测的控制程序，结合上位机、TMS320F28335控制器、TMP100温度传感器和保护电路形成检测系统。通过模拟和实验数据证明，采用本文的优化热设计后，使得某高压电源设备内部温度场分布更均匀合理，改善了系统体内部器件的热布局与冷却风道设计，使得高压部件温升降低了10摄氏度，其他关键电路器件温升控制在允许范围之内。论文研究证明了某高压电源温度场的仿真分析与检测应用到产品设计实践中的重要性。
6.2 后续工作展望
电源的仿真计算以及温度的检测手段在近几年发展非常迅速，在本文工作的基础上，仍有以下工作值得深入研究：
1、在电源仿真方面，各个仿真软件都具有单一的局限性，在仿真设计上的约束较为单一，目的是为了降低求解的难度，缩短计算的时间；若想得到更为逼真需要将仿真模型创建的更为细致，但是仿真软件自带的建模工具却没有现在使用最多的大型三维软件的模型创建能力，没有细致的模型就不能更好的仿真出更为准确的数据，同时需要加大计算机的运算要求，对于较为复杂一些的物理场耦合还需要加入更多的条件约束，这些都是直接影响到仿真分析的结果的。
2、在检测技术方面，传感器与控制器都被广泛应用。如何能使测得的数据更准确，实验测量时更安全，操作更简单，数据可以实现无线传输等，以及深入的学习使用控制器也是很有必要的。