CN102930096A - 一种获取电力电子器件瞬态温度的方法和装置 - Google Patents

一种获取电力电子器件瞬态温度的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种获取电力电子器件瞬态温度的方法和装置，该方法具体为，预先建立含散热装置的电力电子器件的初始有限元模型和有限体积模型；根据所述有限体积模型，获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布；将所述对流换热系数分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；对所述新有限元模型进行降阶处理，以得到降阶处理后的降阶模型；对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果；将所述计算结果映射到所述新有限元模型后，得到所述新有限元模型每个节点的温度。本发明不仅保证了电力电子器件瞬态温度获取结果的准确性，而且减少了计算量，提高了计算效率。

Description

一种获取电力电子器件瞬态温度的方法和装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种获取电力电子器件瞬态温度的方法和装置。
背景技术
电力电子工业中，电力电子器件开通或者关断时会产生一定的损耗，这会导致电力电子器件的发热。如果通过损耗产生的热量超出了该电力电子器件所能承受的温度范围，就会导致电力电子器件的损坏。因此，电力电子器件在应用时，基本上都需要配备散热装置(风冷、油冷、水冷、热管冷却等)。然而，由于电力电子器件工作时，损耗一直在不断的改变，所以电力电子器件的温度亦在不断变化，这给电力电子器件的热设计工作带来了非常大的困难。因此，预先获取到电力电子器件的瞬态温度，可以方便设计者对其进行相关散热设计工作。
现有技术中，获取电力电子器件瞬态温度的方法主要有四种，第一种是通过热阻抗公式获取电力电子器件瞬态温度的方法，首先，散热器热阻抗值或散热器热阻抗计算公式具有一定的局限性，需要通过产品数据手册或大量的实验数据获取，其次，此方法不能准确地反映多个电力电子器件安装在同一个散热器上存在相互影响的情况，总之，该方法不能保证计算结果的准确性。第二种是采用有限元法获取电力电子器件瞬态温度的方法，该方法不仅将决定获取结果准确度的对流换热系数设置成了定值，而且不能计算出对流换热系数的分布情况，这使得采用此种方法获取电力电子器件的结果不准确，而且计算量很大，工程应用中主要用于电力电子器件稳态温度的计算，用于电力电子器件瞬态温度的计算较少。第三种是采用有限体积法获取电力电子器件温度的方法，虽然与有限元法相比，本方法能够计算出对流换热系数的分布情况，但是其计算量太大的缺点还是没能被克服。工程应用中主要用于电力电子器件稳态温度的计算，极少用于电力电子器件瞬态温度的计算。第四种是采用模型降阶方法获取电力电子器件温度的方法，现有的商业软件和工具虽然能通过对模型降阶来克服计算量大的问题，但是这些商业软件和工具没有考虑对流换热系数分布对散热条件的影响，从而导致计算结果不准确，此外，这些商业软件和工具为了保证计算速度，导致其输出的结果大多是变量的变化曲线，以变化曲线形式显示的输出结果不利于计算结果的分析与评价，进而不利于电力电子器件的热设计工作。
综上，目前的技术中，并没有能够兼顾获取结果准确性和计算量的电力电子器件瞬态温度的获取方法。
发明内容
为了解决获取电力电子器件瞬态温度结果准确性以及计算量大的问题，本发明提供了一种获取电力电子器件瞬态温度的方法和装置。
为了实现本发明目的，本发明提供了一种获取电力电子器件瞬态温度的方法，预先建立所述含散热装置的电力电子器件的初始有限元模型和有限体积模型，所述方法包括：
根据所述有限体积模型，获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布；
将所述对流换热系数分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；
对所述新有限元模型进行降阶处理，以得到降阶处理后的降阶模型；
对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果；
将所述计算结果映射到所述新有限元模型后，得到所述新有限元模型每个节点的温度。
优选地，所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果，具体为，
通过联合编程的形式，对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果。
优选地，所述根据所述有限体积模型，获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布，具体为，
根据所述有限体积模型，通过FLUENT软件或者CFX软件获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布。
优选地，所述对所述降阶模型进行求解之前，还包括，
设置或者修改所述电力电子器件的损耗值；
相应的，所述对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果，具体为，
根据所述损耗值，对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果。
优选地，所述对所述新有限元模型进行降阶处理，以得到降阶处理后的降阶模型，具体为，
提取所述新有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵；
将所述热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理，以得到降阶后的降阶矩阵；
相应的，所述对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果，具体为，
对所述降阶矩阵进行求解后，得到所述降阶矩阵的计算结果。
还提供了一种获取电力电子器件瞬态温度的装置，所述装置包括：
第一建模模块，用于预先建立含散热装置的电力电子器件的初始有限元模型和有限体积模型；
第一获取模块，用于根据所述有限体积模型，获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布；
第二建模模块，用于将所述对流换热系数分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；
降阶模块，用于对所述新有限元模型进行降阶处理，以得到降阶处理后的降阶模型；
第一求解模块，用于对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果；
映射模块，用于将所述计算结果映射到所述新有限元模型后，得到所述新有限元模型每个节点的温度。
优选地，所述第一求解模块具体用于，
通过联合编程的形式，对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果。
优选地，所述第一获取装置具体用于，
根据所述有限体积模型，通过FLUENT软件或者CFX软件获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布。
优选地，所述装置还包括，
损耗模块，用于设置或者修改所述电力电子器件的损耗值；
相应的，所述第一求解模块具体用于，
根据所述损耗值，对所述降阶矩阵进行求解后，得到所述降阶矩阵的计算结果。
优选地，所述降阶模块包括，
提取模块，用于提取所述新有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵；
降阶子模块，用于将所述热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理，以得到降阶矩阵；
相应的，所述第一求解模块具体用于，
对所述降阶矩阵进行求解后，得到所述降阶矩阵的计算结果。
本发明将现有技术中的有限体积法、有限元法和模型降阶法有效融合与扩充，公开了一种新的获取电力电子器件瞬态温度的方法，具体为，首先，通过有限体积法获取电力电子器件的对流换热系数分布，保证了温度获取结果的准确性。其次，将对流换热系数分布映射到预先设置的该电力电子器件的有限元模型上，形成新有限元模型，有效地解决了有限体积法和有限元法之间的模型不匹配问题。再次，提取新有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵，并对其进行降阶处理，此降阶过程，使得后续计算步骤更简练，计算速度更快。最后，对降阶后的矩阵进行求解，并得到降阶模型的计算结果，进而将降阶模型的计算结果投影到该电力电子器件的新有限元模型上，得到其每个节点的温度。
综上所述，与现有技术相比，本方案不仅保证了电力电子器件瞬态温度获取结果的准确性，而且减少了计算量，提高了计算效率。
附图说明
图1为本发明实施例一的获取电子电力器件瞬态温度方法的流程图；
图2为本发明实施例二的获取电子电力器件瞬态温度方法的流程图；
图3为本发明实施例三的获取电子电力器件瞬态温度装置的结构图；
图4为本发明实施例四的获取电子电力器件瞬态温度装置的结构图。
具体实施方式
实施例一、
参考图1，图1为本发明提供的一种获取电子电力器件瞬态温度的方法实施例一的流程图，本实施例具体可以包括：
步骤101、预先建立含散热装置的电力电子器件的初始有限元模型和有限体积模型。
本实施例在获取电力电子器件温度之前，通过有限元法，预先建立该含散热装置电力电子器件的有限元模型和有限体积模型，以便后续步骤获取该电力电子器件的温度。
实际操作中，所述有限元法为利用ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等有限元软件建立含散热装置的电力电子器件的有限元模型。
对于一个含散热装置的电力电子器件可以预先建立一个与其对应的初始有限元模型和有限体积模型，以供后续步骤使用。
步骤102、根据所述有限体积模型，获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布。
本实施例通过有限体积法，根据所述有限体积模型，获取含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布。
实际操作中，有限体积法为利用FLUENT、CFX、Icepak、Flotherm等有限体积法的软件，获取含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布。具体为，打开上述软件中的任意一个，输入该含散热装置的电力电子器件的有限体积模型后，此软件进行计算，得到该含散热装置的电子电力器件的对流换热系数分布。
具体的，所述的对流换热系数，用于表征流体与固体表面之间的换热能力，在本示例中即为表征流体与电力电子器件散热装置冷却面之间的换热能力或电力电子器件安装面的换热能力。
步骤103、将所述对流换热系数分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型。
由于有限元模型与通过有限体积法获得的模型不一致，所以不能将通过有限体积法获得的对流换热系数分布直接传递给有限元模型，所以本实施例将上述步骤获取到的对流换热系数分布映射到初始有限元模型，形成新有限元模型。
实际操作中，首先通过FLUENT或者CFX等软件获取到该电子电力器件的对流换热系数分布，其次，打开FLUENT或者CFX等软件向ANSYS软件进行流体结构界面载荷映射的参数设置，再次，进行相应的读写操作，完成对流换热系数分布映射到有限元模型的操作。
步骤104、对所述新有限元模型进行降阶处理，以得到降阶处理后的降阶模型。
由于新有限元模型的阶数高，所以在对其进行求解的过程中，需要计算机运算的量很大，为克服这一缺点，本实例将新有限元模型进行降阶处理。
实际操作中，首先，提取新有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵，其次，对热传导矩阵和热容矩阵进行LU分解，并采用基于Krylov子空间的Arnoldi等算法对分解后的热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理。
具体的，对矩阵进行降阶处理的方法较多，在现有技术中也是很成熟的，所以在此不再赘述。
步骤105、对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果。
由于对经过降阶处理的模型进行求解，需要较小的计算量，所以本实施例使用常微分方程求解器对经过降阶处理的模型进行求解，进而得到所述降阶模型的计算结果。
步骤106、将所述计算结果映射到所述新有限元模型后，得到所述新有限元模型每个节点的温度。
由于本实施例需要通过新有限元模型每个节点的温度，反映该电力电子器件的温度，所以，将通过计算得到的降阶模型的计算结果映射到新有限元模型，从而得到新有限元模型每个节点的温度。
通过本实施例获取到含散热装置的电力电子器件的温度后，可以根据获取的该电力电子器件的温度判断其能承受的温度范围，进而对其进行相关的散热设计工作。
本实施例中，首先，通过有限体积法获取含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布，保证了温度获取结果的准确性。其次，将对流换热系数分布映射到预先设置的该含散热装置的电力电子器件的有限元模型上，形成新有限元模型，有效地解决了有限体积法和有限元法之间的模型不匹配问题。再次，对有限元模型进行降阶处理的过程使得后续计算步骤更简练，计算速度更快。最后，对降阶后的模型进行求解，并得到降阶模型的计算结果，进而将降阶模型的计算结果投影到该电力电子器件的新有限元模型上，得到其每个节点的温度。综上所述，本实施例不仅保证了电力电子器件温度获取结果的准确性，而且减少了计算量，提高了计算效率。
实施例二、
参考图2，图2为本发明提供的一种获取电力电子器件瞬态温度的方法实施例二的流程图，本实施例具体可以包括：。
步骤201、预先建立所述含散热装置的电力电子器件的初始有限元模型和有限体积模型。
由于本步骤与实施例一的步骤101相同，所以在此不再赘述。
步骤202、根据有限体积模型，通过FLUENT软件或者CFX软件获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布。
打开FLUENT软件或者CFX软件，在输入该含散热装置的电力电子器件的有限体积模型后，此软件进行计算，得到该含散热装置的电子电力器件的对流换热系数分布。
步骤203、将所述对流换热系数分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；
由于本步骤与实施例一的步骤103相同，所以在此不再赘述。
步骤204、提取所述新有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵；
步骤205、将所述热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理，以得到降阶后的降阶矩阵；
本实施例中，通过现有技术提取新有限元模型中的热传导矩阵和热容矩阵，采用基于Krylov子空间的Arnoldi等算法对热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理，得到降阶后的降阶矩阵。
步骤206、设置或者修改所述电力电子器件的损耗值；
在本实施例具体实现时，电力电子器件的损耗值在一定程度上影响着电力电子器件的温度，所以，本实施例把电力电子器件的损耗值作为影响电力电子器件的温度的参数加入到计算温度的过程中。
具体操作中，本领域技术人员根据经验或者使用特定的计算方式，设置或者修改电力电子器件的损耗值，以便后续步骤用于电力电子器件的温度的获取。
步骤207、通过联合编程的形式，根据所述损耗值，对所述降阶矩阵进行求解后，得到所述降阶矩阵的计算结果。
本实施例在考虑电力电子器件损耗的前提下，获取电力电子器件的温度。利用Matlab提供的大量函数或者利用VC++、VB等高级编程语言，实现根据损耗值对经过降阶处理后的矩阵进行求解，进而得到求解结果，即降阶矩阵的计算结果。
步骤208、将所述计算结果映射到所述新有限元模型后，得到所述新有限元模型每个节点的温度。
由于本步骤与实施例一的步骤105相同，所以在此不再赘述。
与实施例一相比，本实施例考虑了实际情况中电力电子器件损耗不断改变的问题，通过实施例二的方案获取到的电力电子器件温度更准确。同时，本实施例也对从新有限元模型中提取的热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理，使得获取电力电子器件温度的过程中计算量更小，进而提高了计算效率。
实施例三、
参考图3，图3为本发明提供的一种获取电力电子器件瞬态温度的装置实施例一的结构图，本实施例具体可以包括：
第一建模模块301，用于预先建立所述含散热装置的电力电子器件的初始有限元模型和有限体积模型；
第一获取模块302，用于根据所述有限体积模型，获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布；
第二建模模块303，用于将所述对流换热系数分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；
降阶模块304，用于对所述新有限元模型进行降阶处理，以得到降阶处理后的降阶模型；
第一求解模块305，用于对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果；
映射模块306，用于将所述计算结果映射到所述新有限元模型后，得到所述新有限元模型每个节点的温度。
本实施例中，首先，通过有限体积法获取电力电子器件的对流换热系数分布，保证了温度获取结果的准确性。其次，将对流换热系数分布映射到预先设置的该电力电子器件的有限元模型上，形成新有限元模型，有效地解决了有限体积法和有限元法之间的模型不匹配问题。再次，对有限元模型进行降阶处理的过程使得后续计算步骤更简练，计算速度更快。最后，对降阶模型进行求解，并得到降阶模型的计算结果，进而将降阶模型的计算结果投影到该电力电子器件的新有限元模型上，得到其每个节点的温度。
综上所述，本实施例不仅保证了电力电子器件温度获取结果的准确性，而且减少了计算量，提高了计算效率。
实施例四、
参考图4，图4为本发明提供的一种获取电力电子器件温度的装置实施例二的结构图，本实施例具体可以包括：
第一建模模块301，用于预先建立所述含散热装置的电力电子器件的初始有限元模型和有限体积模型。
第二获取模块401，用于根据有限体积模型，通过FLUENT软件或者CFX软件获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布。
第二建模模块303，用于将所述对流换热系数分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；
提取模块402，用于提取所述新有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵；
降阶子模块403，用于将所述热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理，以得到降阶后的降阶矩阵；
损耗模块404，用于设置或者修改所述电力电子器件的损耗值；
第二求解模块405，用于通过联合编程的形式，根据所述损耗值，对所述降阶矩阵进行求解后，得到所述降阶矩阵的计算结果。
映射模块306，用于将所述计算结果映射到所述新有限元模型后，得到所述新有限元模型每个节点的温度。
与实施例三相比，本实施例考虑了实际情况中电力电子器件损耗不断改变的问题，通过本实施例的方案获取到的电力电子器件温度更准确。同时，本实施例也对从新有限元模型中提取的热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理，使得获取电力电子器件温度的过程中计算量更小，进而提高了计算效率。总之，本实施例不仅保证了电力电子器件温度获取结果的准确性，而且减少了计算量，提高了计算效率。
以上对本发明实施例所提供的获取电力电子器件瞬态温度的方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种获取电力电子器件瞬态温度的方法，其特征在于，预先建立含散热装置的电力电子器件的初始有限元模型和有限体积模型，所述方法包括：
根据所述有限体积模型，获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布；
将所述对流换热系数分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；
对所述新有限元模型进行降阶处理，以得到降阶处理后的降阶模型；
对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果；
将所述计算结果映射到所述新有限元模型后，得到所述新有限元模型每个节点的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果，具体为，
通过联合编程的形式，对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述有限体积模型，获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布，具体为，
根据所述有限体积模型，通过FLUENT软件或者CFX软件获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述降阶模型进行求解之前，还包括，
设置或者修改所述电力电子器件的损耗值；
相应的，所述对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果，具体为，
根据所述损耗值，对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述新有限元模型进行降阶处理，以得到降阶处理后的降阶模型，具体为，
提取所述新有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵；
将所述热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理，以得到降阶后的降阶矩阵；
相应的，所述对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果，具体为，
对所述降阶矩阵进行求解后，得到所述降阶矩阵的计算结果。
6.一种获取电力电子器件瞬态温度的装置，其特征在于，所述装置包括：
第一建模模块，用于预先建立含散热装置的电力电子器件的初始有限元模型和有限体积模型；
第一获取模块，用于根据所述有限体积模型，获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布；
第二建模模块，用于将所述对流换热系数分布映射到所述初始有限元模型上形成新有限元模型；
降阶模块，用于对所述新有限元模型进行降阶处理，以得到降阶处理后的降阶模型；
第一求解模块，用于对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果；
映射模块，用于将所述计算结果映射到所述新有限元模型后，得到所述新有限元模型每个节点的温度。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一求解模块具体用于，
通过联合编程的形式，对所述降阶模型进行求解后，得到所述降阶模型的计算结果。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一获取装置具体用于，
根据所述有限体积模型，通过FLUENT软件或者CFX软件获取所述含散热装置的电力电子器件的对流换热系数分布。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括，
损耗模块，用于设置或者修改所述电力电子器件的损耗值；
相应的，所述第一求解模块具体用于，
根据所述损耗值，对所述降阶矩阵进行求解后，得到所述降阶矩阵的计算结果。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述降阶模块包括，
提取模块，用于提取所述新有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵；
降阶子模块，用于将所述热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理，以得到降阶矩阵；
相应的，所述第一求解模块具体用于，
对所述降阶矩阵进行求解后，得到所述降阶矩阵的计算结果。
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陈兰等: ""数值求解瞬态温度场的有限体积法"", 《工程热物理学报》 *

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