0 引言
你見過(guò)電流在母排中是如何“流動(dòng)”和“分布”的嗎?
你又可曾見過(guò)無(wú)數(shù)電子穿過(guò)擁擠的通道時(shí)的“發(fā)紅發(fā)熱”?
如果你是“電子”，你愿意在母排上一片藍(lán)色荒蕪郊區(qū)的“鬼域”里“漫步”嗎?
1 母排的載流
當(dāng)電流流過(guò)母排(Busbar)時(shí)，在導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生電流密度分布。圖1給出了仿真的一款母排極板的電流密度值及矢量分布。
a. 電流密度值分布b. 電流密度矢量分布
圖1 母排電流密度分布
由圖1可以清晰地看出，電流自導(dǎo)體的首端流向尾端，電流密度矢量如同水流一般在導(dǎo)體內(nèi)部分布。當(dāng)電流密度矢量遇到“障礙物”時(shí)，則輕巧地繞過(guò)它而繼續(xù)行進(jìn)。
2 母排的發(fā)熱
電阻率是用來(lái)表示物質(zhì)電阻特性的物理量，是導(dǎo)體本身的基本屬性，用符號(hào)ρ表示。電流流經(jīng)疊層母排導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。導(dǎo)體單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量(即發(fā)熱功率密度)可用式(1)來(lái)計(jì)算：
(1)
p ——單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量，W/m3;
j ——電流密度，A/m2;
ρ ——導(dǎo)體的電阻率，Ω·m。
由式(1)可知，在電流密度分布相同的情況下，導(dǎo)體的電阻率越高，其發(fā)熱量越大。因此，在溫升為關(guān)鍵制約因素的疊層母排設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先選擇電阻率小的導(dǎo)體材料。母排導(dǎo)體的發(fā)熱功率密度和穩(wěn)態(tài)溫升也可用軟件來(lái)仿真計(jì)算。圖2為仿真的以上款母排導(dǎo)體的發(fā)熱功率密度分布，圖3則為仿真的30℃環(huán)境和自然對(duì)流條件下此母排導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫度分布。
圖2 母排發(fā)熱功率密度分布
圖3 母排穩(wěn)態(tài)溫度分布
另外，根據(jù)公式(1)同樣可以得出：在電阻率不變的情況下，導(dǎo)體的電流密度越大，其發(fā)熱量也越大。以下將對(duì)導(dǎo)體的電流密度對(duì)穩(wěn)態(tài)溫升的影響進(jìn)行仿真研究，圖4給出了一塊中間帶有狹窄通道的銅導(dǎo)體的仿真模型及邊界條件。
圖4 銅導(dǎo)體仿真模型及邊界條件
圖5給出了當(dāng)輸入電流i為100A情況下，銅導(dǎo)體的發(fā)熱功率密度及穩(wěn)態(tài)溫度分布。由此可知，銅導(dǎo)體中間狹窄段的發(fā)熱功率密度和溫度最高。擁擠的通道引發(fā)高密度電流分布，一如交通的阻塞。如何降低母排導(dǎo)體的溫升，轉(zhuǎn)換為如何合理設(shè)計(jì)導(dǎo)體的電流密度。
a. 發(fā)熱功率密度分布b. 穩(wěn)態(tài)溫度分布
圖5 銅導(dǎo)體發(fā)熱功率密度及穩(wěn)態(tài)溫度分布
圖6則給出了仿真的銅導(dǎo)體的最高溫度隨輸入電流i的變化曲線。仿真驗(yàn)證了“在電阻率不變的情況下，導(dǎo)體的電流密度越大，其發(fā)熱量越大”的結(jié)論。
圖6 銅導(dǎo)體最高溫度隨輸入電流變化曲線
3 母排的優(yōu)化
上海鷹峰電子生產(chǎn)的疊層母排(Laminated Busbar)由扁平導(dǎo)體涂有膠粘劑的絕緣膜構(gòu)成。為了減小線路的電阻值和增強(qiáng)導(dǎo)體的熱擴(kuò)散能力，要盡可能選擇電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱效果好的金屬作為導(dǎo)體材料。疊層母排的導(dǎo)體主要為銅材，這意味著導(dǎo)體占據(jù)著最高的材料成本。因此，在母排的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡可能用最少的導(dǎo)體來(lái)滿足母排的載流性能要求。圖7提出了一種疊層母排極板的優(yōu)化方法，圖8、9、10分別給出了仿真的該母排極板優(yōu)化前后電流密度矢量分布、發(fā)熱功率密度分布和穩(wěn)態(tài)溫度分布。
圖7 疊層母排極板優(yōu)化
圖8 疊層母排極板優(yōu)化前后電流密度矢量分布
圖9 疊層母排極板優(yōu)化前后發(fā)熱功率密度分布
圖10 疊層母排極板優(yōu)化前后穩(wěn)態(tài)溫度分布
由以上仿真數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)對(duì)疊層母排極板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即砍去左上角大塊沒(méi)有電子“漫步”的“鬼城”。在節(jié)省了銅材料的前提下，母排的載流性能并未明顯的削弱。因此，該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)工程師在以后的疊層母排設(shè)計(jì)過(guò)程中具有一定的指導(dǎo)意義。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)母排進(jìn)行電熱耦合仿真，可以清晰地看出電流(電子)在母排導(dǎo)體中的流動(dòng)情況，甚至可以得到導(dǎo)體的發(fā)熱功率密度和穩(wěn)態(tài)溫度分布。沿著電子流動(dòng)的方向，上海鷹峰電子提出了一種疊層母排極板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法得到了仿真驗(yàn)證，對(duì)指導(dǎo)工程師設(shè)計(jì)疊層母排及實(shí)現(xiàn)公司節(jié)能降本具有非常重要的意義。
