高压电源温度场的仿真分析与检测实现

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1、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

2、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。

3、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

4、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

5、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，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

6、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LukeMaguire应用流体动力学解决功率器件的热问题并且计算温度。JohnN.Funk就PC

7、B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

8、；6、得出结果。控制芯片