论仿真在电源管理与功率器件设计中的重要性！

从事电源管理及功率器件设计的工程师们应该知道，电子设备系统过热会造成电子元件过快损耗、性能下降、停止工作，甚至引起安全问题。电子设备之间以电磁传导、感应和辐射彼此关联并相互影响，从而对设备和人员造成干扰、影响和危害。此外，电子设备运行中的机械形变、疲劳等会直接影响其使用寿命……因此，我们在做电源管理及功率器件设计时必须对多个物理场进行分析。然而，您还在只通过实验的方法来确定这些设计参数吗?

日前，“电源管理与功率器件论坛”(Tech Shanghai Power 2017)上，康模数尔公司(COMSOL)技术经理王刚博士带来了题为“多物理场仿真在电源管理以及功率器件设备中的应用”的精彩演讲，讲解了数个有关“电源管理及功率器件设计”的典型案例，并通过这些案例分析，探讨了仿真在其中起到的关键作用——非常实用!

王刚博士指出，电源管理及功率器件/设备涉及多个物理场，包括：

●电子设备：电流场、磁场、半导体、电化学等

●热管理：强制对流散热——流场

●热量/温度分布：温度场

●热引起的应力和变形

……

“根据器件涉及的各种物理场情况，我们要列的话还可以有很多。除了做实验，还有一个更加方便的工具就是计算机模拟，因为我们的软件是希望从最基本的物理概念出发，通过数值计算的方法计算出电源管理器件会面临的现象。”王刚博士表示，“比如我们在研究电子设备系统过热的时候，就可以通过传热方程或电磁场方程等相关物理概念算出电源/功率器件里温度的时间分布，进而预测性能、寿命等是否符合要求。”

“还有一个我们所关注的是电磁污染。在电磁器件里会产生电磁干扰，我们需要考虑这些电磁干扰是否会影响电源和功率器件的实际工作情况。通过仿真工具，我们可以经过电磁场计算算出电磁场在各个受关注部位是否符合我们的预期要求。”他补充说。

10 款典型用户案例分享：哪款符合您的设计?

借助仿真优化ABB智能电网分接开关的设计 ABB智能电网分接开关用在高压开关柜里。高压变压器在供电以后，需要模拟绝缘材料表面和内部的介电应力，了解其是否会对结构产生破坏。通过电磁场计算算出电磁力以及介电应力，在知道常见材料的强度极限的情况下，就可以结合计算出的这些力来判断其是否会对开关结构产生不可预期的破坏。

借助磁共振实现灵活的无线充电 再比如，苹果公司上周发布了最新的iPhone，其中就包括大家广泛关注的无线充电。无线充电的原理是主线圈和从线圈之间产生电磁共振，从而将能量传送过去。无线充电的早期设计是将二者靠得很近，这样产生电磁共振就很容易。然而我们希望手机放在充电板上任意一个角度、任意一个位置，都能实现电磁共振。在这种情况下去做实验，成本就会很高。而通过电磁场计算仿真就可以很容易地建模。“下图中的示例是美国WiTricity公司的无线充电仿真方案。这家公司专门为客户设计汽车工业设备或电子设备用无线充电，分析线圈的排布或绕组以及主从线圈之间的距离、方向产生的影响。通过仿真之后就可以很快去做概念性的验证和原型设计，从而加快设计进程。”王博士透露。

石墨烯有效提高消费电子产品的性能 石墨烯具有优良的散热性能。随着其生产工艺的提升，未来其生产会越来越容易，应用会越来越广泛。石墨烯在智能手机里可以用于散热。手机空间非常狭窄，而石墨烯很薄，可以贴在发热部位帮助散热。通过数值计算，我们可以确定怎样的石墨烯设计可以达到最佳散热效果。

新布线方案有效降低器件发热及机械疲劳 下图ABB公司的芯片和电路板通过引线方式实现引脚连接。传统设计方案通过直接引线连接，由于引脚连接部位相对于面积较小，因此接触电阻较大，在实际工作中会产生较高温度，达到甚至超出设定极限，导致寿命降低。因此我们希望在实际当中通过某种方案使温度降下来。ABB公司通过在中间增加连接部位(实际加工难度并未增加多少)，使引脚的连接面积增加很多，从而大幅改善散热性能。温度降低导致热应力降低，进而导致器件开关的疲劳寿命得到数倍增长。这对高可靠性的产品设计来说可以得到很好的提升。