电感模型和材料物性设置得探讨资料

电感模型和电感材料设定对温升的影响电感模型和电感材料设定对温升的影响 by Rockie Lu 前言 前言 本文在于研究用 icepak 建模的时候 电感的材料属性性该如何设置 以及电感模型 如何构建 其中 材料属性的探讨也适用于 flotherm建模 以电感 082 11212 00 ELI 3K INV PFC L 为例 研究物理模型和材料的物理特性对 电感温升的影响 外观图 物理尺寸 铁芯环外径 46 7mm 内径 24 1mm 厚度 18mm 据实际测量 包含铜线的电感厚度约 26mm 因此可以约定铜线层厚度为 4mm 下面将分步研究材料物理特性和电感的物理模型 对温升的影响 1 材料物理性质对温升的影响材料物理性质对温升的影响 在研究物理特性时 把电感看成是单一性质的材料 即不区分铁芯和铜线层 建立简单 的物理模型 1 1 物理尺寸物理尺寸 OD 54mm ID 16mm Ht 26mm 1 2 材料设定材料设定 在 ICEPAK 中 solid 材料特性主要是密度 比热容和导热系数 我们就研究这三个物理 特性分别对电感温升的影响 把这三个参数都设为变量 密度 density 比热容 C 导热系数 K 如下图 下面针对每个变量分别作分析 1 2 1 导热系数导热系数 k When k 20 the differences of values of f0 are limited within 1 When k value is small temperature changes according to k obviously 1 2 2 Specific heat c Temperature irrelevant variable 1 2 3 Density Temperature irrelevant variable 1 2 4 Surface area multiplier n Strongly temperature orient variable 1 3 结论 结论 1 物体导热系数 k 随着 k 值增大 温升降低 但降低程度越来越小 对本问所研究的特 定电感和特定损耗而言 当 k20 时 温度随 k 的 增大而降低很慢 即使在 k 50 1000 的范围内 稳定后温度之差也不超过 1 这可以借用 自然散热里面的一个无量纲物理量毕渥数 Bi 加以解释 Bi 表征固定内部导热热阻与外部换 热热阻之比 当 k 值很小时 Bi 很大 内部导热热阻很大 热无法很快导出 于是导致内 部温差太大 因此电感的最高温度会上升很快 k 值变大 内部导热热阻变小 内部温差变 小 当 k 值大到一定程度的时候 几乎可以认为物体内部温度分布均匀 热可以很快到达电 感表面 此时 k 值再增大对于对流换热其实无多大影响 所以温度也不再下降 2 材料比热容 c 和密度 事实上 这两个物理量只在瞬态换热中才会影响温度的分度 在稳态传热问题中 不影响物体温度 因为物体温度的变化是由该物体一定时间内的热量变 化引起的 对于稳态传热而言 进入和流出电感的热量相等 没有热量增加也没有热量流失 所以温度不变 而且这两个参数也不会影响温度的分布 3 所以 在电感建模的时候 我们只要关心它的导热系数 k 只要不是瞬态传热的范围就 可以不考虑电感的比热容和密度 2 建立真实的物理模型 建立真实的物理模型 根据东磁公司的资料查得铁芯的物理特性 2 1 导热系数 k 值 K 30mW cm C 3W m C 2 2 密度 6 3g cm 3 6300kg m 3 2 3 比热 因为铁粉芯的主要成分是 Fe3O4 查资料得知比热约 450J kg C 2 4 铜线层 2 4 1 在软件中将材料直接设为 CU pure 2 4 2 表面设定 如不考虑辐射 surface material 可以随便设定 由于铜线层外表面不能看成是光滑面 需要设定面积倍比系数 n 1 5 2 2 4 3 铁芯与铜线层之间是有接触热阻的 这个不大好设定 根据 绝缘垫片对比测试报告 晶体管与铝挤散热片表面直接接触热阻 TO247 R touch 0 253 W 假设厚度为 0 1mm k 1 2W m K 由于晶体管和铝挤散 热片表面接触要比铁芯与铜线层之间的接触良好得多 所以暂取上述值的 1 10 即假设 k 0 12 W m K 接触面积约 0 0034 那么可以算的接触热阻 0 24 W 假设铁芯 发热量为 20W 那么接触面的温差 4 8 3 结果结果 按不同模型不同材料对电感进行设置并模拟 环境 45 相关物理量设置见表 1 电感的 最高温度见表 2 表 1 物理量数值 物理量 k Cu k Fe k Res Area multiplier Ta 数值 387 W m K 3 W m K 0 1 W m K 2 45 表 2 不同模型电感温度 Model Cu 损耗 Fe 损耗 Cu 温度 Fe 温度 Only Cu 40 104 1 Only Fe 40 119 6 Cu Fe 20 20 104 2 108 Cu res Fe 20 20 106 6 110 8 Only Cu Only Fe Cu Fe Cu res Fe Simulation Model Trial The mid choke 结语 结语 1 电感材料的物理特性中 影响电感稳态传热温度分布的只有它的导热系数 与密度和比 热容无关 2 本文对于电感材料 k 值对温度的影响所得结论是针对特定型号和特定损耗的 当电感尺 寸或损耗不同时 结论中所给出的关键导热系数 k20 也应该不同 笔者认为 可以用损耗密度来统一 损耗密度 损耗 尺寸特征数 在相同的损耗密度下 关键导热 系数应该相同 在建模时应该先查出电感材料的导热系数 如果实在无法得到 可以借 鉴本文表 1 所给出的值 3 电感表面积倍比率 Area multiplier 是一个温度敏感的变量 我设置为 2 为个人经验 值