一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法和裝置的製作方法
2023-06-11 23:58:21
專利名稱：一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法和裝置。
背景技術：
電力電子工業中，電力電子器件開通或者關斷時會產生一定的損耗，這會導致電力電子器件的發熱。如果通過損耗產生的熱量超出了該電力電子器件所能承受的溫度範圍，就會導致電力電子器件的損壞。因此，電力電子器件在應用時，基本上都需要配備散熱裝置(風冷、油冷、水冷、熱管冷卻等)。然而，由於電力電子器件工作時，損耗一直在不斷的改變，所以電力電子器件的溫度亦在不斷變化，這給電力電子器件的熱設計工作帶來了非常大的困難。因此，預先獲取到電力電子器件的瞬態溫度，可以方便設計者對其進行相關散熱設計工作。 現有技術中，獲取電力電子器件瞬態溫度的方法主要有四種，第一種是通過熱阻抗公式獲取電力電子器件瞬態溫度的方法，首先，散熱器熱阻抗值或散熱器熱阻抗計算公式具有一定的局限性，需要通過產品數據手冊或大量的實驗數據獲取，其次，此方法不能準確地反映多個電力電子器件安裝在同一個散熱器上存在相互影響的情況，總之，該方法不能保證計算結果的準確性。第二種是採用有限元法獲取電力電子器件瞬態溫度的方法，該方法不僅將決定獲取結果準確度的對流換熱係數設置成了定值，而且不能計算出對流換熱係數的分布情況，這使得採用此種方法獲取電力電子器件的結果不準確，而且計算量很大，工程應用中主要用於電力電子器件穩態溫度的計算，用於電力電子器件瞬態溫度的計算較少。第三種是採用有限體積法獲取電力電子器件溫度的方法，雖然與有限元法相比，本方法能夠計算出對流換熱係數的分布情況，但是其計算量太大的缺點還是沒能被克服。工程應用中主要用於電力電子器件穩態溫度的計算，極少用於電力電子器件瞬態溫度的計算。第四種是採用模型降階方法獲取電力電子器件溫度的方法，現有的商業軟體和工具雖然能通過對模型降階來克服計算量大的問題，但是這些商業軟體和工具沒有考慮對流換熱係數分布對散熱條件的影響，從而導致計算結果不準確，此外，這些商業軟體和工具為了保證計算速度，導致其輸出的結果大多是變量的變化曲線，以變化曲線形式顯示的輸出結果不利於計算結果的分析與評價，進而不利於電力電子器件的熱設計工作。綜上，目前的技術中，並沒有能夠兼顧獲取結果準確性和計算量的電力電子器件瞬態溫度的獲取方法。
發明內容
為了解決獲取電力電子器件瞬態溫度結果準確性以及計算量大的問題，本發明提供了一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法和裝置。為了實現本發明目的，本發明提供了一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法，預先建立所述含散熱裝置的電力電子器件的初始有限元模型和有限體積模型，所述方法包括根據所述有限體積模型，獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布；將所述對流換熱係數分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；對所述新有限元模型進行降階處理，以得到降階處理後的降階模型；對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果；將所述計算結果映射到所述新有限元模型後，得到所述新有限元模型每個節點的溫度。
優選地，所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果，具體為，通過聯合編程的形式，對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結
果O優選地，所述根據所述有限體積模型，獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布，具體為，根據所述有限體積模型，通過FLUENT軟體或者CFX軟體獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布。優選地，所述對所述降階模型進行求解之前，還包括，設置或者修改所述電力電子器件的損耗值；相應的，所述對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果，具體為，根據所述損耗值，對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果。優選地，所述對所述新有限元模型進行降階處理，以得到降階處理後的降階模型，具體為，提取所述新有限元模型的熱傳導矩陣和熱容矩陣；將所述熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理，以得到降階後的降階矩陣；相應的，所述對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果，具體為，對所述降階矩陣進行求解後，得到所述降階矩陣的計算結果。還提供了一種獲取電力電子器件瞬態溫度的裝置，所述裝置包括第一建模模塊，用於預先建立含散熱裝置的電力電子器件的初始有限兀模型和有限體積模型；第一獲取模塊，用於根據所述有限體積模型，獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布；第二建模模塊，用於將所述對流換熱係數分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；降階模塊，用於對所述新有限元模型進行降階處理，以得到降階處理後的降階模型；第一求解模塊，用於對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果;映射模塊，用於將所述計算結果映射到所述新有限元模型後，得到所述新有限元模型每個節點的溫度。優選地，所述第一求解模塊具體用於，通過聯合編程的形式，對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結
果O優選地，所述第一獲取裝置具體用於，根據所述有限體積模型，通過FLUENT軟體或者CFX軟體獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布。優選地，所述裝置還包括，
損耗模塊，用於設置或者修改所述電力電子器件的損耗值；相應的，所述第一求解模塊具體用於，根據所述損耗值，對所述降階矩陣進行求解後，得到所述降階矩陣的計算結果。優選地，所述降階模塊包括，提取模塊，用於提取所述新有限元模型的熱傳導矩陣和熱容矩陣；降階子模塊，用於將所述熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理，以得到降階矩陣；相應的，所述第一求解模塊具體用於，對所述降階矩陣進行求解後，得到所述降階矩陣的計算結果。本發明將現有技術中的有限體積法、有限元法和模型降階法有效融合與擴充，公開了一種新的獲取電力電子器件瞬態溫度的方法，具體為，首先，通過有限體積法獲取電力電子器件的對流換熱係數分布，保證了溫度獲取結果的準確性。其次，將對流換熱係數分布映射到預先設置的該電力電子器件的有限元模型上，形成新有限元模型，有效地解決了有限體積法和有限元法之間的模型不匹配問題。再次，提取新有限元模型的熱傳導矩陣和熱容矩陣，並對其進行降階處理，此降階過程，使得後續計算步驟更簡練，計算速度更快。最後，對降階後的矩陣進行求解，並得到降階模型的計算結果，進而將降階模型的計算結果投影到該電力電子器件的新有限元模型上，得到其每個節點的溫度。綜上所述，與現有技術相比，本方案不僅保證了電力電子器件瞬態溫度獲取結果的準確性，而且減少了計算量，提高了計算效率。
圖I為本發明實施例一的獲取電子電力器件瞬態溫度方法的流程圖；圖2為本發明實施例二的獲取電子電力器件瞬態溫度方法的流程圖；圖3為本發明實施例三的獲取電子電力器件瞬態溫度裝置的結構圖；圖4為本發明實施例四的獲取電子電力器件瞬態溫度裝置的結構圖。
具體實施例方式實施例一、參考圖1，圖I為本發明提供的一種獲取電子電力器件瞬態溫度的方法實施例一的流程圖，本實施例具體可以包括步驟101、預先建立含散熱裝置的電力電子器件的初始有限元模型和有限體積模型。本實施例在獲取電力電子器件溫度之前，通過有限元法，預先建立該含散熱裝置電力電子器件的有限元模型和有限體積模型，以便後續步驟獲取該電力電子器件的溫度。實際操作中，所述有限元法為利用ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等有限元軟體建立含散熱裝置的電力電子器件的有限元模型。對於一個含散熱裝置的電力電子器件可以預先建立一個與其對應的初始有限元模型和有限體積模型，以供後續步驟使用。步驟102、根據所述有限體積模型，獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布。本實施例通過有限體積法，根據所述有限體積模型，獲取含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布。 實際操作中，有限體積法為利用FLUENT、CFX、Icepak, Flotherm等有限體積法的軟體，獲取含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布。具體為，打開上述軟體中的任意一個，輸入該含散熱裝置的電力電子器件的有限體積模型後，此軟體進行計算，得到該含散熱裝置的電子電力器件的對流換熱係數分布。具體的，所述的對流換熱係數，用於表徵流體與固體表面之間的換熱能力，在本示例中即為表徵流體與電力電子器件散熱裝置冷卻面之間的換熱能力或電力電子器件安裝面的換熱能力。步驟103、將所述對流換熱係數分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型。由於有限元模型與通過有限體積法獲得的模型不一致，所以不能將通過有限體積法獲得的對流換熱係數分布直接傳遞給有限元模型，所以本實施例將上述步驟獲取到的對流換熱係數分布映射到初始有限元模型，形成新有限元模型。實際操作中，首先通過FLUENT或者CFX等軟體獲取到該電子電力器件的對流換熱係數分布，其次，打開FLUENT或者CFX等軟體向ANSYS軟體進行流體結構界面載荷映射的參數設置，再次，進行相應的讀寫操作，完成對流換熱係數分布映射到有限元模型的操作。步驟104、對所述新有限元模型進行降階處理，以得到降階處理後的降階模型。由於新有限元模型的階數高，所以在對其進行求解的過程中，需要計算機運算的量很大，為克服這一缺點，本實例將新有限元模型進行降階處理。實際操作中，首先，提取新有限元模型的熱傳導矩陣和熱容矩陣，其次，對熱傳導矩陣和熱容矩陣進行LU分解，並採用基於Krylov子空間的Arnoldi等算法對分解後的熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理。具體的，對矩陣進行降階處理的方法較多，在現有技術中也是很成熟的，所以在此不再贅述。步驟105、對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果。由於對經過降階處理的模型進行求解，需要較小的計算量，所以本實施例使用常微分方程求解器對經過降階處理的模型進行求解，進而得到所述降階模型的計算結果。步驟106、將所述計算結果映射到所述新有限元模型後，得到所述新有限元模型每個節點的溫度。
由於本實施例需要通過新有限元模型每個節點的溫度，反映該電力電子器件的溫度，所以，將通過計算得到的降階模型的計算結果映射到新有限元模型，從而得到新有限元模型每個節點的溫度。通過本實施例獲取到含散熱裝置的電力電子器件的溫度後，可以根據獲取的該電力電子器件的溫度判斷其能承受的溫度範圍，進而對其進行相關的散熱設計工作。本實施例中，首先，通過有限體積法獲取含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布，保證了溫度獲取結果的準確性。其次，將對流換熱係數分布映射到預先設置的該含散熱裝置的電力電子器件的有限元模型上，形成新有限元模型，有效地解決了有限體積法和有限元法之間的模型不匹配問題。再次，對有限元模型進行降階處理的過程使得後續計算步驟更簡練，計算速度更快。最後，對降階後的模型進行求解，並得到降階模型的計算結果，進而將降階模型的計算結果投影到該電力電子器件的新有限元模型上，得到其每個節點的溫度。綜上所述，本實施例不僅保證了電力電子器件溫度獲取結果的準確性，而且減少了計算量，提高了計算效率。 實施例二、參考圖2，圖2為本發明提供的一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法實施例二的流程圖，本實施例具體可以包括。步驟201、預先建立所述含散熱裝置的電力電子器件的初始有限元模型和有限體積模型。由於本步驟與實施例一的步驟101相同，所以在此不再贅述。步驟202、根據有限體積模型，通過FLUENT軟體或者CFX軟體獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布。打開FLUENT軟體或者CFX軟體，在輸入該含散熱裝置的電力電子器件的有限體積模型後，此軟體進行計算，得到該含散熱裝置的電子電力器件的對流換熱係數分布。步驟203、將所述對流換熱係數分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；由於本步驟與實施例一的步驟103相同，所以在此不再贅述。步驟204、提取所述新有限元模型的熱傳導矩陣和熱容矩陣；步驟205、將所述熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理，以得到降階後的降階矩陣；本實施例中，通過現有技術提取新有限元模型中的熱傳導矩陣和熱容矩陣，採用基於Krylov子空間的Arnoldi等算法對熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理，得到降階後的降階矩陣。步驟206、設置或者修改所述電力電子器件的損耗值；在本實施例具體實現時，電力電子器件的損耗值在一定程度上影響著電力電子器件的溫度，所以，本實施例把電力電子器件的損耗值作為影響電力電子器件的溫度的參數加入到計算溫度的過程中。具體操作中，本領域技術人員根據經驗或者使用特定的計算方式，設置或者修改電力電子器件的損耗值，以便後續步驟用於電力電子器件的溫度的獲取。步驟207、通過聯合編程的形式，根據所述損耗值，對所述降階矩陣進行求解後，得到所述降階矩陣的計算結果。本實施例在考慮電力電子器件損耗的前提下，獲取電力電子器件的溫度。利用Matlab提供的大量函數或者利用VC++、VB等高級程式語言，實現根據損耗值對經過降階處理後的矩陣進行求解，進而得到求解結果，即降階矩陣的計算結果。步驟208、將所述計算結果映射到所述新有限元模型後，得到所述新有限元模型每個節點的溫度。由於本步驟與實施例一的步驟105相同，所以在此不再贅述。與實施例一相比，本實施例考慮了實際情況中電力電子器件損耗不斷改變的問題，通過實施例二的方案獲取到的電力電子器件溫度更準確。同時，本實施例也對從新有限元模型中提取的熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理，使得獲取電力電子器件溫度的過程中計算量更小，進而提高了計算效率。·
實施例三、參考圖3，圖3為本發明提供的一種獲取電力電子器件瞬態溫度的裝置實施例一的結構圖，本實施例具體可以包括第一建模模塊301，用於預先建立所述含散熱裝置的電力電子器件的初始有限元模型和有限體積模型；第一獲取模塊302，用於根據所述有限體積模型，獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布；第二建模模塊303，用於將所述對流換熱係數分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；降階模塊304，用於對所述新有限元模型進行降階處理，以得到降階處理後的降階模型；第一求解模塊305，用於對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果;映射模塊306，用於將所述計算結果映射到所述新有限元模型後，得到所述新有限元模型每個節點的溫度。本實施例中，首先，通過有限體積法獲取電力電子器件的對流換熱係數分布，保證了溫度獲取結果的準確性。其次，將對流換熱係數分布映射到預先設置的該電力電子器件的有限元模型上，形成新有限元模型，有效地解決了有限體積法和有限元法之間的模型不匹配問題。再次，對有限元模型進行降階處理的過程使得後續計算步驟更簡練，計算速度更快。最後，對降階模型進行求解，並得到降階模型的計算結果，進而將降階模型的計算結果投影到該電力電子器件的新有限元模型上，得到其每個節點的溫度。綜上所述，本實施例不僅保證了電力電子器件溫度獲取結果的準確性，而且減少了計算量，提高了計算效率。實施例四、參考圖4，圖4為本發明提供的一種獲取電力電子器件溫度的裝置實施例二的結構圖，本實施例具體可以包括第一建模模塊301，用於預先建立所述含散熱裝置的電力電子器件的初始有限元模型和有限體積模型。
第二獲取模塊401，用於根據有限體積模型，通過FLUENT軟體或者CFX軟體獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布。第二建模模塊303，用於將所述對流換熱係數分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；提取模塊402，用於提取所述新有限元模型的熱傳導矩陣和熱容矩陣；降階子模塊403，用於將所述熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理，以得到降階後的降階矩陣；損耗模塊404，用於設置或者修改所述電力電子器件的損耗值；第二求解模塊405，用於通過聯合編程的形式，根據所述損耗值，對所述降階矩陣進行求解後，得到所述降階矩陣的計算結果。 映射模塊306，用於將所述計算結果映射到所述新有限元模型後，得到所述新有限元模型每個節點的溫度。與實施例三相比，本實施例考慮了實際情況中電力電子器件損耗不斷改變的問題，通過本實施例的方案獲取到的電力電子器件溫度更準確。同時，本實施例也對從新有限元模型中提取的熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理，使得獲取電力電子器件溫度的過程中計算量更小，進而提高了計算效率。總之，本實施例不僅保證了電力電子器件溫度獲取結果的準確性，而且減少了計算量，提高了計算效率。以上對本發明實施例所提供的獲取電力電子器件瞬態溫度的方法和裝置進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法，其特徵在於，預先建立含散熱裝置的電力電子器件的初始有限元模型和有限體積模型，所述方法包括 根據所述有限體積模型，獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布； 將所述對流換熱係數分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型； 對所述新有限元模型進行降階處理，以得到降階處理後的降階模型； 對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果； 將所述計算結果映射到所述新有限元模型後，得到所述新有限元模型每個節點的溫度。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果，具體為， 通過聯合編程的形式，對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述根據所述有限體積模型，獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布，具體為， 根據所述有限體積模型，通過FLUENT軟體或者CFX軟體獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布。
4.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述對所述降階模型進行求解之前，還包括， 設置或者修改所述電力電子器件的損耗值； 相應的，所述對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果，具體為， 根據所述損耗值，對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果。
5.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述對所述新有限元模型進行降階處理，以得到降階處理後的降階模型，具體為， 提取所述新有限元模型的熱傳導矩陣和熱容矩陣； 將所述熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理，以得到降階後的降階矩陣； 相應的，所述對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果，具體為， 對所述降階矩陣進行求解後，得到所述降階矩陣的計算結果。
6.一種獲取電力電子器件瞬態溫度的裝置，其特徵在於，所述裝置包括 第一建模模塊，用於預先建立含散熱裝置的電力電子器件的初始有限元模型和有限體積模型； 第一獲取模塊，用於根據所述有限體積模型，獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布； 第二建模模塊，用於將所述對流換熱係數分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型； 降階模塊，用於對所述新有限元模型進行降階處理，以得到降階處理後的降階模型； 第一求解模塊，用於對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果； 映射模塊，用於將所述計算結果映射到所述新有限元模型後，得到所述新有限元模型每個節點的溫度。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述第一求解模塊具體用於， 通過聯合編程的形式，對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果。
8.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述第一獲取裝置具體用於，根據所述有限體積模型，通過FLUENT軟體或者CFX軟體獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布。
9.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括，損耗模塊，用於設置或者修改所述電力電子器件的損耗值；相應的，所述第一求解模塊具體用於，根據所述損耗值，對所述降階矩陣進行求解後，得到所述降階矩陣的計算結果。
10.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述降階模塊包括，提取模塊，用於提取所述新有限元模型的熱傳導矩陣和熱容矩陣；降階子模塊，用於將所述熱傳導矩陣和熱容矩陣進行降階處理，以得到降階矩陣；相應的，所述第一求解模塊具體用於，對所述降階矩陣進行求解後，得到所述降階矩陣的計算結果。
全文摘要
本發明實施例公開了一種獲取電力電子器件瞬態溫度的方法和裝置，該方法具體為，預先建立含散熱裝置的電力電子器件的初始有限元模型和有限體積模型；根據所述有限體積模型，獲取所述含散熱裝置的電力電子器件的對流換熱係數分布；將所述對流換熱係數分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；對所述新有限元模型進行降階處理，以得到降階處理後的降階模型；對所述降階模型進行求解後，得到所述降階模型的計算結果；將所述計算結果映射到所述新有限元模型後，得到所述新有限元模型每個節點的溫度。本發明不僅保證了電力電子器件瞬態溫度獲取結果的準確性，而且減少了計算量，提高了計算效率。
文檔編號G06F17/50GK102930096SQ201210417778
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月26日 優先權日2012年10月26日
發明者丁傑, 王堅, 李江紅, 張陳林, 胡昌發, 唐玉兔 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司