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利用 Simcenter Twin Activate 整合 Simcenter PSIM 與 Simcenter FLOEFD 的雙向熱電耦合解決方案

整合電氣損耗與系統散熱模型,建立損耗與溫度的雙向閉環。

熱與電氣必須同步考量

電力電子設計中的損耗會受到元件溫度影響,而散熱系統的溫度又會隨發熱功率改變。若將電氣與熱分析各自獨立進行,便難以呈現此一回饋。Simcenter Twin Activate可作為系統整合主控端,負責訊號路由、通訊步長管控與資料處理,串接電氣動態與系統散熱模型。

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圖一:熱與電氣必須同步考量

三個模型各自負責的工作

Simcenter PSIM 負責高頻電氣求解,計算 PWM 切換下的電壓與電流波形,並依即時結溫查表取得導通壓降與開關能量。其晶片熱模型以三階 Cauer 熱網路,根據外部傳入的殼溫求解結溫。Simcenter FLOEFD 則以 3D 系統散熱模型建立 BCI-ROM 降階模型並匯出為 FMU,用來描述巨觀熱平衡與熱擴散。

建立損耗與溫度的雙向閉環

在此架構中,Simcenter PSIM 以電氣模擬計算發熱功率 Ploss,將其送往 Simcenter FLOEFD 的散熱模型;散熱模型再回傳殼溫 Tcase,作為晶片熱網路的邊界條件。溫度因此會回饋至元件損耗計算,而不是僅在電氣模擬完成後再進行一次單向熱分析。

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圖二:Simcenter PSIM中建立損耗與溫度的雙向閉環

由主控端協調不同時間尺度

Simcenter Twin Activate 在主控流程中處理訊號交換、通訊步長對齊、資料濾波與週期平均。以 1 µs 的電氣模擬計算 Ploss,再將處理後的損耗資料更新至熱模型;此安排可讓快速電氣動態與相對較慢的熱擴散模型在同一個協同模擬流程中交換必要資訊。

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圖三:Simcenter Twin Activate作為系統整合主控端,負責串接電氣動態與系統散熱模

以 FMU 連結 3D 散熱與電力電子模型

流程的核心是將 Simcenter FLOEFD 的 BCI-ROM 散熱模型以 FMU 形式提供給整合環境,並使 Simcenter PSIM 的損耗輸出與殼溫輸入形成閉環。這使工程團隊能在系統層級檢視電氣損耗、晶片封裝層級暫態熱響應,以及 3D 散熱條件之間的關係

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圖四:Simcenter Twin Activate熱電耦合分析結果,呈現殼溫、損耗與結溫相關訊號的傳遞。

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