ANSYS电源系统设计仿真平台

– A, C, E, F
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开关电源器件建模(IGBT、MOSFET)
基本电性能和热性能
Average IGBT model
驱动电路优化、EMI/EMC
Advanced dynamic model
根据仿真需求确定合适的IGBT建模类型
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ANSYS电源系统设计仿真平台
ANSYS 中国
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内容提要
典型电源系统及其挑战
ANSYS电源系统设计平台实现
总结
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电源系统应用领域
电源& 驱动器 交通运输
电源变换/电网质量改善 驱动器 板上电源 铁路运输
考虑绕组损耗、铁芯损耗、R,L,C参数和温升
Maxwell
可以与MAXWELL无缝集成进行更细致电磁 场分析 可以集成到Simplorer中进行系统仿真 SIMPLORER
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PExprt 设计流程-->指定性能指标
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PExprt – 变压器和电感专家设计工具；
Maxwell – 部件电磁特性有限元分析工具；
Q3D Extractor – 提取PCB走线、接头及 线缆的寄生参数，是进行EMI EMC仿真 的重要工具；
Simplorer
Simplorer – IGBT、MOSFET参数化建模、 电源系统整体仿真分析 ANSYS 其它物理域软件 – 如ICEPAK、 MECHANICAL、FLUENT, 分析电源系统热、应力等特性
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电源系统面临的挑战
热、应力设计
电源系统
可靠性设计
…
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ANSYS电源系统设计仿真平台方案

为工程师提供一个从部件到系统、从基本性能到复杂电磁兼 容、从电磁设计到其它多物理域设计的多层次一体化平台
1.58 3.38m 3.45m 3.50m 3.55m 3.60m 3.65m 3.72m
90.00
90.00
0.00
0.00
测试 VS 仿真(时域和频域）
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-90.00
-90.00
-180.00 0.10 1 10 100 1k 10k 100k 1Meg 100Meg
Winding Losses
Maxwell铁芯损耗计算
• • 铁芯损耗很大程度上决定电源温升 根据铁芯生产厂家提供的数据，输入 MAXWELL中，计算铁芯损耗，可以是 单频率、多频率（部分材料自带损耗 数据） 自动提取铁芯的损耗系数
•
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损耗、温升
体积、高度、封装
……………………
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电磁部件设计建模（变压器，电感器）
PExprt: 变压器和电感电磁专家设计 和优化工具 包含典型器件生产厂家模型库:
• 铁芯, 骨架, 导线
•环形, 平面, 线绕
考虑集肤效应、临近效应、气隙效应和热效 应
50.00
45.00
40.00
35.00
30.00 0.20 0.25 0.30 gap [in] 0.35 0.40
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Maxwell全面分析变压器电感的场数据
Current Density
Flux Density
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• 考虑电感边缘效应、非线性饱和、频率影响等
Ansoft LLC
60.00
Inductance
Curve Info
Maxwell3DDesign2
Matrix1.L(Current1,Current1) Setup1 : LastAdaptive
55.00
Matrix1.L(Current1,Current1) [uH]
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铁氧体材料属性
随频率变化的磁导率实部和磁导率虚部 利用Simplorer的sheetscan功能提取datasheet数据
Datasheet
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Sheetscan
铁氧体材料属性
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Simplorer DC/DC特征化建模工具
• 根据厂商的数据手册或测试结果建模 • 生成DC/DC行为模型，提高求解速度和效率 • 不用关心DC/DC模块拓扑等内部细节
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Simplorer DC/DC特征化建模工具
Vce.V [V]
3.00
4.00
5.00
输出特性 Vce-Ic
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Simplorer IGBT、MOSFET特征化建模
700.0
700.0
500.0
500.0
333.3
333.3
166.7
166.7
0 -50.0 -231.0n 0 200.0n 400.0n 618.0n
Vinp
Convertidor
Vop
CC/CC
Vinm
270V/28V
Vom
Im pedancia de Salida
M骴 ulo
[dB]
0.10
1
10
100
1k
10k
100k
1Meg
100Meg -32.76 -40.00
-32.76 -40.00
Din 醡ica ante Escal 髇 de Carga
-180.00
f [Hz]
Simplorer DC/DC特征化建模工具
生成DC/DC行为模型，用于大系统仿真，分析系统效率、上电延时逻辑、 冲击电流等
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电磁部件设计建模（变压器，电感器）
激磁电感等基本参数设计
漏感、耦合电容等寄生参数
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ANSYS电源系统设计仿真平台技术优势
系统集成
Simplorer
控制算法、 子系统 XPrt Tools FEA Solvers Field
Q3D ANSYS: Multiphysics Solvers
热
流体
部件
电磁场
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自动自适应网格剖分
Ansoft核心技术之一，FEA计算精度的保证
Measured
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Maxwell材料参数
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Maxwell电感计算
Datasets used to define properties vs. frequency:
• Relative Permeability = pwl($perm,Freq) • Magnetic Loss tangent = pwl($losstan,Freq)
Relative permitivity = 12
Conductivity = 0.5 (S/m)
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考虑温度特性的电导率材料属性

1 (1 0.0039 * (Temp 22))
Infineon : eupec FZ600R12KE3
1200.00
Output Char. @Tj=125c
x02_Output
1000.00
TR
Curve Info Ic.I
800.00
Ic.I [A]
600.00
400.00
提取工具 数据手册数据
200.00
0.00 0.00
1.00
2.00
1.86
-60.00
1.80
-60.00
1.75
-80.00 -90.86
-80.00 -90.86 0.10 1 10 100 1k 10k 100k 1Meg 100Meg
f [Hz]
1.70
Fase
1.65
[deg] 0.10
1
10
100
1k
10k
100k
1Meg
100Meg 180.00
180.00
航空航天 汽车
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典型电源系统
机电负载或传感 器、电网
电池或电网