手把手教你学Simulink实例——基于Simulink的电力电子设备热管理仿真实例
从零开始掌握Simulink仿真分析案例——基于电力电子设备热管理的仿真实例
引言
在电力电子系统中, 热管理是不可或缺的关键环节. 基于工作过程中的正常运作状态, 功率器件(包括IGBT、MOSFET等)会持续产生大量热量. 若未实施有效的散热措施, 将可能导致器件因过热而受损, 进而影响整个系统的可靠性和使用寿命. 因此, 进行热管理仿真能够帮助设计团队深入分析系统运行中的温度分布情况, 并制定有效的散热策略.
本文旨在深入探讨如何在MATLAB平台上的Simulink工具中实现电力电子设备的温度管理仿真研究。具体而言，在这一过程中将涉及模型搭建、参数配置、仿真实验以及结果评估等多个环节。
热管理原理简介
1. 热传导与热阻
在物质间传递热量的过程中所发生的现象被称为"传热"现象。"导温系数"（Thermal Conductivity, λ）是一个表征物质阻碍热量传递能力的关键参数，在国际单位制中以W/(m·K)为单位衡量。当"导温系数"数值较大时，则表明该物质能够更有效地传导热量。
2. 热容与温度变化
热容（Thermal Capacitance, Cth）具体表征了物体储存热量的能力，并被视为一个关键指标。当热容数值越大时，则表明该物体能够吸收更多热量以实现温度的提升。
3. 热网络模型
热网络模型是一种常见的热管理系统建模方法，在这种模型中，热传导路径与热容被类比为电阻与电容，并形成一个如同电路的系统结构。通过这一方法的应用性特点，在进行热管理仿真时具有显著的优势
系统框架
1. 系统架构概述
本示例将采用一个典型的逆变器模块来说明如何运用Simulink进行电力电子设备的热管理仿真。该系统由以下几个主要部分构成：
- 功率器件是主要的产热部位。
- 散热器的作用是将设备产生的热量传递出去。
- 环境温度通过模拟周围环境中的温度状况。
- 热网络模型构建了一个完整的热交换系统。
系统架构视图 ：
plaintext
深色版本
+-------------------+ +------------------+ +-----------------+ +--------------+
||||||||
|Power Device|----->|Heat Sink|----->|Ambient Temp|||
|(Heat Generation)|(Thermal|(Tamb)|||||
|Resistance &|||||||
|Capacitance)|||||||
+-------------------+ +------------------+ +-----------------+ +--------------+
||
v
+------------------+
||
|Temperature|
|Measurement|
|(Scope)|
||
+------------------+Simulink建模过程
1. 创建新模型
- 使用 MATLAB 软件后在其环境中开启 Simulink 界面。
- 在 Simulink 环境下选择空白模型以创建新的空模型。
2. 添加模块
接下来按照系统架构添加所需的Simulink模块：
功率器件 * 在Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Power Electronics库中定位IGBT/Diode组件，并按需求复制若干IGBT组件以模仿功率器件。
-
配置IGBT组件的导通电阻等属性，并建立功耗模型（如假定每个IGBT组件消耗10瓦）。
散热器 在库中找到Thermal Resistor和Thermal Capacitor模块，并分别用于模拟散热器的热阻与热容。设定其热阻值为0.1^{\circ}C/W以及热容值为10J/{\degree}C。
环境温度设置 在Simscape Thermal模块库中定位到Temperature Source模块，并用于模拟环境温度参数。
-
将环境温度设定为25摄氏度。
建立热网络模型时, 我们采用了Thermal Resistor 和 Thermal Capacitor 模块作为基础单元, 并将其与功率器件、散热器及环境温度相连接以完成整个系统的建模
测量系统 通过在 Simulink > Sinks 库中搜索到 Scope 模块，并将其成功地连接至模型中以观察功率器件与散热器的温度变化。
以下是详细的Simulink模型脚本示例：
matlab
深色版本
% 清除当前工作区的所有变量
clear all; close all;
% 定义功率损耗和环境温度
Power_Loss = 10; % 每个IGBT模块的功率损耗为10W
Ambient_Temperature = 25; % 环境温度为25°C
% 创建一个新的Simulink模型
modelName = 'ThermalManagementSimulation';
new_system(modelName);
open_system(modelName);
% 添加功率器件模块
for i = 1:6 % 假设是三相逆变器，每相两个开关
add_block('simulink/Extras/Ideal Switch', [modelName sprintf('/Switch_%d', i)]);
set_param([modelName sprintf('/Switch_%d', i)], 'Ron', '0.1'); % 开关导通电阻
end
% 添加热阻和热容模块
add_block('simscape/Thermal/Thermal Resistor', [modelName '/Thermal_Resistor']);
set_param([modelName '/Thermal_Resistor'], 'Rthermal', '0.1'); % 设置热阻值为0.1°C/W
add_block('simscape/Thermal/Thermal Capacitor', [modelName '/Thermal_Capacitor']);
set_param([modelName '/Thermal_Capacitor'], 'Cthermal', '10'); % 设置热容值为10J/°C
% 添加环境温度模块
add_block('simscape/Thermal/Temperature Source', [modelName '/Ambient_Temperature']);
set_param([modelName '/Ambient_Temperature'], 'Temperature', num2str(Ambient_Temperature)); % 设置环境温度为25°C
% 添加示波器
add_block('simulink/Sinks/Scope', [modelName '/Scope']);
% 连接各模块
add_line(modelName, [modelName '/Switch_1'], [modelName '/Thermal_Resistor'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Thermal_Resistor'], [modelName '/Thermal_Capacitor'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Thermal_Capacitor'], [modelName '/Ambient_Temperature'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Thermal_Capacitor'], [modelName '/Scope'], 'autorouting', 'on');
% 设置仿真参数
set_param(modelName, 'StopTime', '10');
set_param(modelName, 'Solver', 'ode45');
% 保存模型
save_system(modelName);
% 运行仿真
sim(modelName);参数设置与仿真运行
1. 参数设置
- 功率器件 ：对IGBT模块进行导通电阻等参数的配置，并建立功率损耗模型（例如，在每个IGBT模块上消耗10瓦功率）。
- 散热器 ：将热阻值设为每瓦摄氏度下0.1°C/W，并将热容值设定为每秒焦耳10J/°C。
- 环境温度 ：将工作环境温度设定在常温状态下的25摄氏度。
2. 仿真设置
- 在Simulink菜单栏中定位到Simulation > Model Configuration Parameters选项。
- 设置合适的仿真终止时间和求解器类型（通常建议采用ode45）。
3. 开始仿真
启动位于此工具栏上的'Run'按钮以执行仿真。检查仿真结果是否符合预期。利用Scope模块可追踪功率器件与散热器的温度变化情况。
结果分析与优化
1. 观察结果
- 通过示波器监测功率器件和散热器的温度随时间的变化曲线, 分析其热管理性能.
- 考察升温速率及其在最终稳定状态下的温升数值, 并检验散热器设计的合理性.
比如，在以下情况下：当温度急剧升高或达到稳定后仍维持偏高水平时，则可能需要采取措施提升散热面积并优化散热设计。
2. 性能评估
- 评估系统的最大温升和稳态温度指标，并控制其数值在安全范围内。
- 分析不同散热器参数下的系统响应情况，并筛选出最佳参数组合。
3. 参数优化
在发现某些热管理特性未达到预期要求时，可以通过优化散热器参数（如热阻值、热容值）来实现目标。此外还可以考虑采用其他散热方式（如风扇冷却、液冷等），以进一步提升整体散热效果。
实例应用：多级散热系统仿真
1. 多级散热结构
在实际电力电子系统中，通常采用多层次热管理架构来实现温度的有效控制。主要包含散热器加风扇冷却、液冷系统等多种具体实现方式。为了进一步提升系统的性能表现, 我们将开发一个多层次热管理架构模型进行深入研究与优化设计。
2. Simulink建模
- 在Simulink环境中集成多个散热器模块以各自模仿不同阶段的散热过程。
- 将这些散热器模块按照多层次的散热架构串联起来。
比如，在设计一个双级散热系统时，默认情况下第一级由散热器构成；而第二级则通过风扇实现冷却效果；其结构如下：第一层级布置散热器单元；第二层级则配置相应的风扇阵列；这种分层布局能够有效提升系统的整体性能并降低运行能耗。
plaintext
深色版本
+-------------------+ +------------------+ +-----------------+ +--------------+
||||||||
|Power Device|----->|Heat Sink Level1|----->|Fan Cooling|----->|Ambient Temp|
|(Heat Generation)|(Thermal|(Air Flow)|(Tamb)||||
|Resistance &|||||||
|Capacitance)|||||||
+-------------------+ +------------------+ +-----------------+ +--------------+
||
v
+------------------+
||
|Temperature|
|Measurement|
|(Scope)|
||
+------------------+3. 参数优化
- 调节各级散热器的传热特性及储热量，并优化风扇的动力输出。
- 在仿真环境中分析多种参数组合的影响以确定最优配置方案。
总结
经过一系列操作流程和详细设计参数设置后，在线完成了基于Simulink的电力电子设备热管理仿真研究工作，并实现了预期目标。以下是对该仿真工作的简要总结：
- 背景介绍 ：阐述了热传导、热阻及热容等基础概念，并探讨了它们在电力电子系统中的功能。
- 系统架构 ：深入分析了逆变器模块的热管理系统的构成要素及其运行机理，并提供了系统的架构图示。
- 建模过程 ：具体指导了如何在Simulink环境中构建热管理系统的仿真模型。
- 仿真测试 ：说明了如何配置仿真参数及执行仿真操作。
- 优化建议 ：列举了几种可行的优化方案以提升系统的性能表现。