Моделирование в ANSYS MAXWELL паразитных параметров печатных проводников
Современная силовая электроника это про большие мощности, преобразуемые на высокой частоте и с высокой удельной плотностью. Сегодня на рынке уже можно встретить источники питания с плотностью мощности более 13 W/cm^3 — это примерно 2кВт в размере чуть более пачки от сигарет. Экспериментальные и лабораторные образцы показывают еще более высокой результат.
Рис. 1. Пример преобразователя с высоким показателем плотности энергии
Рис. 1. Пример преобразователя с высоким показателем плотности энергии
Ключом к достижению такого высокого уровня энергетической плотности является в том числе и оптимизация компоновки элементов преобразователя с учетом паразитных свойств печатных проводников.
У меня есть проект многофазного преобразователя, в котором каждая фаза выполнена в виде отдельного модуля, а питание подводится через кросс-плату. Частота работа модуля ~ 300 кГц, а средний потребляемый ток более 100А. Источником энергии питающим устройство выступает АКБ, способная работать с большим разрядным током.
При таких вводных, крайне важно:
доставлять энергию из АКБ к фазному модулю с минимальными потерями напряжения на паразитной индуктивности ESL и сопротивлении ESR подводящей цепи.
иметь качественную модель всего устройства, для максимально-приближенного моделирования работы схемы. Не учитывая паразитные параметры подводящих цепей можно сильно промахнуться с работоспособностью устройства
В моем случае мне нужно было узнать значения ESL и ESR для кросс-платы между точками входа и выхода тока. Кросс-плата с одним установленным фазным модулем представлена на рисунке рис. 2.
Рис. 2. Кроссплата с фазным модулем
Рис. 2. Кроссплата с фазным модулем
На изображении терминалы В — это входные терминалы с током, терминалы А — это точки подключения потребителя тока, самого дальнего в данном случае.
Для начала пришлось переработать кросс-плату, убрать все лишние и оставить только проводящую цепь от точки В до точки А. Медь на ПП имеет толщину 35 мкм.
Рис. 3. Проводящая цепь в Solidworks
Рис. 3. Проводящая цепь в Solidworks
Далее я экспортировал модель в формате STEP-2014 и импортировал её в чистый проект Maxwell. Мне нужно было провести моделирование с учетом скин-эффекта, по этому в Maxwell был выбран решатель Eddy Current: Maxwell 3D → Solution type → Eddy current
Рис. 4. Импорт печатного проводника в Maxwell и выбор типа решателя
Рис. 4. Импорт печатного проводника в Maxwell и выбор типа решателя
Далее необходимо провести ряд настроек в проекте:
1) задать материал тела проводящего ток, в моем случае это медь — copper:
Рис. 5. выбора материала тела
Рис. 5. выбора материала тела
2) Задать регион моделирования:
Ри.6. Регион (область) моделирования
Ри.6. Регион (область) моделирования
3) Задать источник возбуждения — источник тока, путем создания двух терминалов. Выбрать поверхность которая будет выступать источником тока, ПКМ → Asign Excitation → Current → Задать величину тока, направление, имея этого терминала. Не забываем что у цепи с током должен быть вход и выход (направление тока в терминалах) — два терминала.
4) Для расчета индуктивности также необходимо задать матрицу для проводящего тела:
Рис. 7. Задача матрицы для определения индуктивности
Рис. 7. Задача матрицы для определения индуктивности
5) Задать сетку для проводника и для региона по отдельности. Для региона можно задать Inside based, для теля можно задать с учетом скин-эффекта -, но считаться такой вариант будет дольше.
6) Определить условия моделирования — Analysis → выбрать точность расчета, частоту тока, колл. подтверждающих шагов расчета.
По окончанию всех настроек, окно с параметрами должно иметь примерно такой вид:
Рис. 8. Вид предварительно настроенного проекта перед моделированием.
Рис. 8. Вид предварительно настроенного проекта перед моделированием.
Далее ПКМ на проект и сначала Validation check, после Analyze All и ждем пока будет произведен расчет.
Рис. 9. валидация и запуск моделирования
Рис. 9. валидация и запуск моделирования
По результату моделирования можно посмотреть заветные цифры: L и R с учетом скин-эффекта: ПКМ на Results → Create data table → выбрать L и R.
Рис. 10. Результат моделирования участка с током
Рис. 10. Результат моделирования участка с током
Также можно вывести разные красивые карты и наложить их на модель, например карту плотности тока в векторной форме.
Рис. 11. Карта плотности тока в векторной форме.
Рис. 11. Карта плотности тока в векторной форме.
Заключение
Полученный результат оказался «лучше» чем я ожидал, индуктивность цепи ESL = 2nH, а сопротивление ESR = 833uOm. Эти данные пригодятся для уточнения модели устройства в Spice, по ним можно спрогнозировать потери энергии на этом отрезке цепи, а также получить более точную модель распределения напряжения питания.
П.с.
На самом деле, в ANSYS есть и другие инструменты позволяющие проводить моделирование печатных проводник на переменном токе с учетом электромагнитных явлений, но их освоение еще впереди.
П.с.с
Ansys предоставляет возможность бесплатно использовать программный пакет Ansys Electronics Desktop, с некоторыми ограничениями (размер сетки, вычислительные ресурсы) на базе бесплатной студенческой лицензии. Ознакомиться скачать можно по ссылке
Всем ветра по курсу!
