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基于物理信息神经网络的参数化热仿真方法用于快速功率模块热设计
A Parameterized Thermal Simulation Method Based on Physics-Informed Neural Networks for Fast Power Module Thermal Design
| 作者 | Yayong Yang · Zhiqiang Wang · Yu Liao · Wubin Kong · Xiaojie Shi · Run Hu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 功率模块 热仿真 深度学习 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 物理信息神经网络 功率模块热设计 参数化3D热仿真 热场分布预测 设计空间探索 |
语言:
中文摘要
本文提出一种基于物理信息神经网络(PINNs)的参数化三维热仿真方法,以实现功率模块热设计的快速设计空间探索。利用PINNs能够快速逼近描述功率模块热行为的参数化偏微分方程解的能力,开发了用于碳化硅(SiC)三相半桥功率模块的热场仿真框架,以进行参数化仿真。经过一次无监督训练后,基于PINNs的模型可以快速预测不同输入参数组合下功率模块的热场分布结果。对比结果表明,在不同组合情况下,PINNs的预测结果与COMSOL数值模拟和实验测量结果大致相符。此外,在用于参数优化的大规模设计空间探索任务中,该仿真过程比传统数值模拟方法快数百倍,显著降低了热仿真所需的时间成本。
English Abstract
This article proposes a parameterized 3D thermal simulation methodology based on physics-informed neural networks (PINNs) to achieve rapid design space exploration for power module thermal design. Leveraging the capability of PINNs to quickly approximate the solutions to the parameterized partial differential equations describing the thermal behavior of power modules, a thermal field simulation framework for a SiC three-phase half-bridge power module is developed for parameterized simulations. After a single unsupervised training session, the PINNs-based model can quickly predict the thermal field distribution results of the power module for different combinations of input parameters. The comparison results show that the PINNs predict results are approximately consistent with both COMSOL numerical simulations and experimental measurements in different combination cases. Moreover, in the task of large design space exploration for parameter optimization, the simulation process can be hundreds of times faster than traditional numerical simulation methods, significantly reducing the time cost required for thermal simulations.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于物理信息神经网络(PINNs)的参数化热仿真技术具有重要的工程应用价值。作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,我们在功率模块热设计方面面临着日益严峻的挑战:一方面,碳化硅(SiC)等新型功率器件的广泛应用使得热管理复杂度显著提升;另一方面,市场对产品快速迭代和定制化的需求不断增强,传统有限元仿真方法的时间成本已成为研发瓶颈。
该技术的核心价值在于将深度学习与物理建模深度融合,通过单次无监督训练即可实现数百倍的仿真加速。这对我们的三相逆变器、储能变流器等核心产品的功率模块设计具有直接意义:在设计空间探索阶段,可快速评估不同散热结构、材料组合和功率密度配置下的热场分布,大幅缩短从概念到样机的周期。论文中针对SiC三相半桥模块的应用场景与我们的主流产品架构高度契合,且预测精度已通过COMSOL仿真和实验验证。
然而,技术落地仍需关注几个关键问题:首先是PINNs模型的泛化能力,特别是在复杂多物理场耦合(如电-磁-热协同)场景下的适用性;其次是训练数据的获取成本,需要平衡仿真精度与训练效率;第三是与现有CAE工具链的集成度。
建议我们的中央研究院可将此技术纳入数字化研发体系建设规划,优先在标准化功率模块平台上开展验证,逐步建立面向快速热设计的AI辅助工具链,这将成为提升产品竞争力和研发效率的重要技术储备。