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电动汽车驱动 多物理场耦合 ★ 4.0

高功率应用中集成无源器件温度与平均功率承载能力的电磁-热耦合表征

Electromagnetic-thermal Coupling Characterization of Temperature and Average Power Handling Capability of Integrated Passive Devices (IPDs) for High-Power Applications

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中文摘要

本文提出了一种高保真电磁-热耦合方法,用于表征各种雷达和通信系统射频前端中集成无源器件的温升和平均功率处理能力。该方法采用了自主开发的有限元法求解器,能够纳入随温度变化的材料参数,并引入了电磁和热传导过程之间的非线性强耦合。为支持多尺度耦合问题的求解,实现了高效的迭代算法和定制预条件器。通过薄膜微带互连和输出匹配网络两个基准算例,将该方法与商业软件 COMSOL 和 HFSS 进行了验证。进一步在两种具有代表性的集成无源器件结构——常用于低噪声放大器和功率放大器的输入匹配网络和级间匹配网络——上,在不同功率、频率和热边界条件下进行了仿真。给出了数值结果,以展示这些结构的最大温升和平均功率处理能力,为在极端或有意电磁干扰环境下工作的集成无源器件的稳健电磁防护设计提供了重要的物理见解。

English Abstract

This paper presents a high-fidelity electromagnetic-thermal coupled method for characterizing temperature rise and average power handling capacity of integrated passive devices used in RF front-end in various radar and communication systems. The proposed method employs a self-developed finite element method solver capable of incorporating temperature-dependent material parameters, with nonlinear and strong coupling between electromagnetic and heat conduction processes introduced. Efficient iterative algorithms and tailored preconditioners are implemented for supporting the solution of multiscale coupled problems. The method is validated against the commercial software COMSOL and HFSS through two benchmark cases: a thin-film microstrip interconnect and an output matching network. Further simulations are conducted on two representative integrated passive device structures—an input matching network and an inter-stage matching network often used in low noise amplifier and power amplifier—under varying power, frequency, and thermal boundary conditions. Numerical results are presented to demonstrate the maximum temperature rise and average power handling capacity of the structures, providing important some physical insights for the robust electromagnetic protection design of integrated passive device operating in an extreme or intentional electromagnetic interference environment.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项电磁-热耦合仿真技术对我们的核心产品具有重要的借鉴价值。在光伏逆变器和储能变流器的功率电路设计中,集成无源器件(IPD)的热管理一直是制约功率密度提升和可靠性保障的关键瓶颈。

该论文提出的温度相关材料参数建模方法,能够精确预测IPD在高功率条件下的温升特性和功率承载能力,这与我们在大功率逆变器设计中面临的挑战高度契合。特别是在1500V高压系统和户外极端环境应用场景下,母排连接、EMI滤波器、耦合电感等无源器件常因电磁损耗与热累积导致过热失效。该技术的多尺度耦合求解能力,可帮助我们在设计阶段就精准评估器件在不同工况、频率和散热条件下的热行为,减少过度设计和试验迭代成本。

从技术成熟度看,该方法已通过商业软件验证,但其自研求解器的工程化应用仍需进一步考量计算效率和与现有EDA工具链的集成度。对阳光电源而言,关键机遇在于将此方法应用于新一代碳化硅(SiC)逆变器的高频磁性元件和PCB互连设计优化,特别是在开关频率提升至100kHz以上时,电磁损耗与热管理的耦合效应将更加显著。

技术挑战主要体现在:需要建立完整的温变材料参数数据库,适配我们常用的磁性材料和绝缘体系;同时需要与结构力学仿真联合,评估热应力对长期可靠性的影响。建议与该研究团队探讨合作可能性,将该技术引入我们的IPD定制化开发流程,为实现更高功率密度和更严苛环境适应性的下一代产品提供仿真支撑。