Thermische Berechnungen

Die Berechnung von Erwärmungsvorgängen kann in Portunus unter Verwendung thermischer Netzwerke durchgeführt werden. Im Gegensatz zu alternativen (aufwendigeren) numerischen Methoden wie der Finite-Elemente-Analyse (FEA) und der numerischen Strömungsmechanik (CFD – Computational Fluid Dynamics) erlaubt dieser Ansatz deutlich kürzere Rechenzeiten und damit die schnelle Berechnung von stationären Temperaturverteilungen und Lastzyklen sowie Betrachtungen zu Parametervariationen (Geometrie, Kühlung).

In vielen CAE-Systemen wird lediglich die Analogie elektrischer und thermischer Netzwerke (Temperaturen - Spannungen, Wärmeflüsse – Ströme, Wärmewiderstände – elektrische Widerstände etc.) genutzt. Portunus bietet dagegen mit den in der Thermal Library vorhandenen Modellen für lineare und nicht-lineare Wärmeübergänge deutlich größere Möglichkeiten. Beim Aufbau eines Modells kann immer zwischen der Angabe physikalischer Größen (Wärmewiderstand, thermische Kapazität, Nusselt-Zahl etc.) und der Eingabe von Geometrie- bzw. Materialeigenschaften gewählt werden. Beispielsweise werden für die komplexen Mechanismen der natürlichen und erzwungenen Konvektion für eine Vielzahl geometrischer Formen Modelle angeboten, bei denen Angaben zu den Abmessungen und ggf. zur Strömung des Kühlmittels erforderlich sind. Aus diesen Angaben werden intern die nicht-linearen Gleichungen des Wärmeübergangs, teilweise unter Verwendung von Bereichsumschaltungen (beispielsweise bei laminarer und turbulenter Strömung) parametriert. Alternativ dazu können auch abstraktere Modelle eingesetzt werden, die Größen wie z.B. Nusselt-Koeffizienten und Rayleigh-Zahlen erwarten.

Die Parametrierung aller Modelle kann vollständig unter Verwendung von Variablen erfolgen. Damit wird der Nutzer in die Lage versetzt, alle Einflussgrößen übersichtlich anzuordnen. Beispielsweise kann an Oberflächen die Wärmeabfuhr gleichzeitig mittels Strahlung und Konvektion erfolgen. Im thermischen Netzwerk wird das durch eine Parallelschaltung zweier Modelle deutlich, die auf die gleichen Geometrieparameter zugreifen können. Durch die Verwendung von Variablen, die in beiden Modellen verwendet werden, ist jederzeit die Konsistenz der Parametrierung gewährleistet.

Thermische Berechnungen sind für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen denkbar. Häufige Einsatzfälle sind leistungselektronische Anordnungen und elektrische Maschinen.

In der Leistungselektronik werden zur Beschreibung des Wärmeübergangs im Chip vom Hersteller in der Regel die Parameter des so genannten Foster-Modells angegeben. Dabei handelt es sich um in Reihe geschaltete Parallelschaltungen thermischer Widerstände und Kapazitäten. Der Vorteil des Foster-Modells liegt in der einfachen Parameterextraktion aus der Zth-Kurve. Nachteilig ist die fehlerhafte Abbildung des Wärmeflusses zum Kühlkörper, weshalb Chip- und Kühlkörpermodelle nur in Kombination verwendet werden können. Eine Alternative bietet das (physikalisch korrekte) Cauer-Modell, das thermische Kapazitäten, die mit dem Masseknoten verbunden sind, verwendet. In Portunus sind beide Modelle implementiert. Die Parameter des Cauer-Modells können aus denen des Foster-Modells berechnet werden.

Die Bestimmung der abzuführenden Verlustleistung kann durch die Vorgabe von Zeitfunktionen oder die Einkopplung von Systemgrößen mittels Gleichung oder grafischer Verbindung („elektrisches Wattmeter mit thermischen Anschluss”) erfolgen. Für schnelle gekoppelte elektro-thermische Berechnungen von Infineon-Leistungsmodulen können so genannte Mittelwert-Modelle verwendet werden. Diese Modelle können unter Vorgabe einer konstanten Sperrschicht-Temperatur oder in Verbindung mit thermischen Netzwerken Anwendung finden.

Das obenstehende Bild zeigt eine Lastspiel-Simulation für zwei Gleichrichter-Dioden, die auf einem Kühlkörper montiert sind. Der Verlauf des Laststroms wird über eine Zeitfunktion vorgegeben, woraus unter Verwendung der Diodenkennlinie die Verlustleistungseinspeisungen berechnet werden. Die Wärmeübertragung innerhalb des Chips wird durch jeweils ein Cauer-Netzwerk modelliert.

Der Wärmeübergang zwischen Chip und Kühlkörper (Wärmeleitpaste) und vom Kühlkörper zur Umgebung wird durch Modelle der Thermal Library nachgebildet, wobei die Abmessungen des Kühlkörpers zur Parametrierung verwendet wurden. Die Diagramme zeigen die berechneten Verläufe der Sperrschicht- und Kühlkörpertemperaturen, wobei im Verlauf der Sperrschichttemperatur deutlich die durch das Lastspiel verursachten Temperaturschwankungen erkennbar sind.

Der Wärmefluss in elektrischen Maschinen kann durch thermische Netzwerke beschrieben werden, deren Struktur stark vom Maschinentyp (elektrische oder Permanenterregung, Innerläufer / Außenläufer, Luftkühlung / Wasserkühlung etc.) abhängt. Für Standardmaschinen können thermische Ersatzschaltbilder aus Motor-CAD® importiert werden. Bei der Erstellung eigener thermischer Maschinenmodelle ist es oftmals sinnvoll, das System in Subsysteme aufzuteilen, wie in der obenstehenden, rechten Abbildung (University of Edinburgh / Cummins Generator Technology) gezeigt.

Die Modelle der Thermal Library unterstützen transiente Simulationen sowie DC- und OP-Berechnungen. Einer transienten Simulation kann zur Verkürzung der Rechenzeit die Berechnung des stationären Zustands vorangestellt werden. Bei geschalteten Systemen kann eine schnelle Berechnung des stationären Zustands durch die Verwendung der Automatisierungsschnittstelle skriptgesteuert realisiert werden.

Produkt-Flyer „Thermal Library”