客户案例 | 通过Ansys电磁及散热双向耦合仿真提高电子变压器能量转化效率和可靠性
Ansys渠道合作伙伴北京天源博通科技有限公司亦对本案例做出贡献
随着智能科技的飞速发展，电子变压器市场也面临着更多新的发展机遇。比如，随着电动汽车和新能源领域的迅速崛起，电子变压器在新能源汽车系统、能源转换等方面的应用需求出现了爆发式增长。与此同时随着技术的快速迭代，对于磁件产品的设计也面临着更大的挑战。
深圳市斯比特技术股份有限公司在研发设计流程中引入Ansys Maxwell及Icepak软件，分别对电气特性参数、电磁损耗和磁件温升进行仿真，不仅可以大幅度减小测试验证的时间和成本，而且对于产品的改进和性能提升提供了指导方向，最终达到了缩短产品开发周期、提升交付效率的目的。
客户简介
深圳市斯比特技术股份有限公司，于2004年成立，是一家专注于工业级、车规级磁性元件和新能源汽车充电桩电源模块研发、生产与销售的高新技术企业，产品广泛应用于新能源汽车、充电桩、光伏储能、数据通信等战略新兴产业。
挑战和需求
伴随着功率半导体的发展，目前电子变压器全球化的发展趋势是高频化、高功率、高可靠性和低电磁干扰等，在绿色新能源领域表现尤为明显，并且产品设计阶段的性能参数验证非常重要。
电子变压器（一）
随着高效率能源转换器的要求越来越严格，电子变压器的损耗和温升设计也面临着新的挑战。从微型手机充电器到大型发电机，电子变压器广泛应用于升降压能量转换、电气隔离和电磁干扰抑制等方面。虽然这些磁性器件的结构相对简单，但不同的电气拓扑结构提出的高性能要求，使优化它们的设计研发过程依然充满挑战性。
电子变压器（二）
磁性器件的研发涉及磁场和电场的耦合、非线性铁磁材料的特征、能量损耗和散热条件的均衡，某些场景甚至涉及工艺误差要求、结构可靠性等要求。随着新能源在全球能源的比例不断提高，能量转换器对电子变压器的效率要求也越来越高。高效的电子变压器能够地减少能源损失，提高能量转换系统的整体效率。同时由于激励的间歇性和波动性特点，电子变压器需要能够承受这种不稳定负荷的冲击，因此电子变压器的设计和制造过程中还需要充分考虑其可靠性和稳定性。
解决方案
为了满足上述要求，需要在快速迭代的研发设计周期阶段进行更加精细化的设计，不断优化变压器设计参数、提高其效率和工作可靠性。仍然依赖传统的理论设计配合实验验证的方式，必然会大幅度增加产品开发周期，而将仿真设计引入产品研发周期，使得问题得到了完美的解决。
利用Ansys Electronics Premium Maxwell完成高频电子变压器损耗仿真
搭建包含铁芯和原副边绕组的分析结构，使用边界条件减小计算量；
采用直接输入负载电流或与外电路联合分析的方式计算瞬态响应；
通过后处理查看铁芯内部的磁密分布和铁芯损耗、查看绕组的铜耗；
通过与Icepak的耦合考虑电子变压器在不同工况温度下的铁耗和铜耗及最终温升；
损耗仿真有助于评估设计的合理性，方便继续进行优化设计，提高变压器的工作效率；
Maxwell仿真结果展示（一）
Maxwell仿真结果展示（二）
Maxwell仿真结果展示（三）
利用Ansys Electronics Premium Icepak完成高频电子变压器散热仿真
根据绕组及磁芯的损耗计算高频电子变压器的温升及运行温度；
根据温度分布及最高温升点评估温度安全可靠性，优化散热方案；
Icepak仿真结果展示（一）
Icepak仿真结果展示（二）
Maxwell 和Icepak的耦合仿真可以进行双向数据交换，实现双向耦合。电磁仿真将发热损耗传递给热仿真作为功耗输入，热仿真将温度结果输入电磁仿真更新部件的电阻率/磁导率，电磁仿真按照更新后的电阻率重新计算热功率，如此循环，直到达到平衡，更加贴近实际工况。
相关 Ansys 软件
Ansys Electronics Premium Maxwell
Ansys Electronics Premium Icepak
最终成果
借助Maxwell及Icepak便捷的操作流程、强大的仿真能力和快速的优化迭代，对于电子变压器的损耗及温升可以进行更加精准的预测，让设计变得更加简单，从而极大地缩短了产品开发周期，提高设计开发质量，为磁件产品研发设计的一次性成功提供新的思路和方法。
“没有采用Ansys Maxwell和Icepak前，我们的产品设计更加依赖于理论公式和实验测试，随着技术的发展，产品越趋于复杂，且根据不同行业客户需提供定制化方案，新产品的开发往往需要经历更长的周期。借助Maxwell及Icepak便捷的操作流程、强大的仿真能力和快速的优化迭代，对于电子变压器的损耗及温升可以进行更加精准的预测，让设计变得更加简单，从而极大地缩短了产品开发周期，提高设计开发质量，为磁件产品研发设计的一次性成功提供新的思路和方法。”
——刘春宣，斯比特技术总监
来源：Ansys
