行业应用方案 | 功率电子与电源系统

Ansys 行业应用方案连载（11） | 功率电子与电源系统

功率电子与电源系统广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备等领域。按应用领域，开关电源分为工业领域类电源、消费电子类电源、通信开关电源、PC开关电源盒、以及各种变频器和驱动器用电源。

绿色开关电源产品将得到广泛应用，具体体现在开关电源产品具有显著的节能性能和不对公用电网产生污染的特点。消费类电子将会成为开关电源的主要细分市场，随着中国消费类电子产业的不断发展，下游市场的需求日益扩大将带动开关电源行业迅速发展，由于5G通信技术的特点，5G通信网络的建设需要更多的基站，这需要更多的与基站配套的开关电源模块或组件。

国家产业政策将会继续利好开关电源的发展，低碳经济已逐渐成为全球经济发展的共识，中国在调整经济结构的同时，更是将低碳、环保提升到一个新的高度，也促进了开关电源的发展。小型集成化开关电源将会成为现代供电设备的主流，提高开关电源的功率密度和电源转换效率，使之小型化、轻量化、高频化、软开关技术、模块化是电源小型化的主要技术手段之一，将成为行业的科技热点。

功率电子与电源系统包含半导体开关器件、磁性器件、控制电路等，既要能满足基本电性能，又要能满足各种应用场合的电磁兼容标准，同时要能满足结构强度和散热等多物理域问题。所以功率电子与电源系统是一个牵涉各方面理论知识和工程设计的复杂系统。

传统的设计方法依靠经验和简单计算，大量的设计调整和性能优化需要在初步样品做出来之后通过实验的方法来进行。而采用仿真的方法，可以在虚拟的软件平台中对半导体开关器件进行建模和测试，采用有限元方法对磁性器件进行建模和优化；同时可以集成半导体开关器件、磁性器件和控制电路，对功率电子和电源系统进行整体仿真分析；另外，通过一些具有特别功能的软件，可以提取功率电子与电源系统中隐藏的寄生参数，与基本原理电路进行联合仿真后，可以对其电磁兼容作一些评估和优化；同时，通过电磁场-结构的耦合仿真、电磁场-流体的耦合仿真，可以对功率电子与电源系统的结构强度和散热性能作一些评估和优化。

针对功率电子与电源系统的发展趋势，Ansys有完整的解决方案，涵盖功率电子与电源系统的磁性器件设计分析、开关器件分析、电性能分析、EMI/EMC分析、电源散热分析、电-热无缝耦合等技术领域，并在未来会随着技术热点和市场需求，不断拓展。

功率电子与电源系统，都会用到变压器、功率电感、滤波电感等磁性器件，Ansys Maxwell、PExprt等工具，可以基于磁性器件的物理尺寸和原材料对其进行建模、仿真和优化。

• 功率电感建模分析

• 共模差模滤波电感建模分析

• 变压器激磁电感建模分析

• 变压器漏感分析

在功率电子与电源系统中，半导体开关器件如MOSFET、IGBT、功率二极管Diode是必须的器件，利用Ansys Simplorer工具，可以根据MOSFET、IGBT和Diode的数据手册进行参数化建模，对这些半导体开关器件进行精确的仿真分析。

• MOSFET参数化建模分析

• IGBT参数化建模分析

• 功率二极管Diode建模分析

利用Ansys仿真工具，可以把磁性器件、半导体开关器件，和外围的检测和控制电路集成起来进行电路系统仿真。

• 功率电子与电源系统开环分析

• 功率电子与电源系统闭环分析

• 电源负载能力分析

利用Ansys仿真工具，可以提取功率电子与电源系统中隐藏的寄生参数，如RLGC等，结合电路系统分析，评估引起电磁干扰问题的潜藏电路，并对其进行滤波、屏蔽等优化设计，协助用户解决系统的电磁兼容问题。

• 电路板寄生参数提取

• 线缆寄生参数提取

• 寄生参数与电路系统联合仿真分析

对于功率电子与电源系统，除了电磁方面的性能需要满足要求外、其结构和散热影响产品的稳定性和使用寿命，也是非常重要的性能指标。Ansys可以采用电磁场-结构的耦合仿真、电磁场-流体的耦合仿真来评估和优化功率电子与电源系统的多物理域性能。

• 电磁场-结构耦合仿真

• 电磁场-流体耦合仿真

对功率电子与电源系统而言，涉及磁性器件、半导体开关器件等部件的设计和选型，电路控制系统的设计和分析，电磁兼容性能的评估和优化，结构和散热性能的评估和优化，是一个多层次全方位的问题。针对这些问题，Ansys都有对应的工具，帮助用户在虚拟软件平台中解决这些问题，提高客户产品的性能、减少其设计成本、缩短开发时间，提高产品在市场上的竞争力。