ANSYS软件用于大功率脉冲电源仿真设计
基于ANSYS仿真软件的二次电源结构仿真验证
基于 ANSYS仿真软件的二次电源结构仿真验证摘要：为研究铝合金一体式结构的二次电源的振动特性，检验二次电源结构设计的合理性，利用NX8.0三维建模软件建立二次电源实体模型，采用ANSYS有限元分析软件对二次电源进行模态分析及谐响应分析，以验证二次电源结构设计方案的可行性。
关键词：结构仿真; ANSYS; 二次电源1.引言为了解产品结构的动力学性能，检验产品设计的合理性，考查并改善产品在振动环境中的适应性，需对产品进行振动试验。
传统的研制过程是产品研制完成后再进行振动试验，以验证设计合理性。
这种方式周期长，存在产品研制完成后无法满足振动试验要求导致无法装机配套的风险。
在快节奏发展的今天，这种开发方式因为其周期长、灵活性差、不易更改等缺点，已经越来越难以适应当前工程开发节奏。
研发人员可以通过ANSYS软件模拟产品实际使用环境进行动力学仿真分析，综合考虑强度、刚度和稳定性，实时调整结构参数已达到最优化效果，极大地提高了研发效率并减少了风险。
1.结构动力学分析的理论基础动力学分析是为了确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。
本文动力学分析主要解决以下两个问题：（1）寻求结构的固有频率和主振型，了解结构的振动特性。
（2）分析结构的动力响应特性，计算结构振动的动力响应和变形的大小及变化规律。
根据牛顿第二定律，物体质量与其加速度的乘积等效于力，物体的速度和阻尼的乘积也等效于力，通过狭义胡克定律得出位移与刚度系数的乘积等效于力。
据此得出以下动力学公式：F=ma+cv+kx（1）其中：F为外力；m为质量；a为加速度；c为阻尼；v为速度；k为刚度系数；x为位移。
式（1）仅满足理想模型下单质点刚体的受力分析，对质点系或者非质点刚体的动力学分析就不适用了。
故在此基础上将物体中单微元的质量与它所在空间具有的自由度联合起来，即式（1）中的质量m用质量矩阵[M]来表示，阻尼c用阻尼矩阵[C]来表示，刚度系数k用刚度矩阵[K]来表示。
ANSYS SIwave 2023
ANSYS SIwave 2023概述ANSYS SIwave 2023是一款强大的电磁仿真软件，能够帮助工程师在电子系统设计过程中进行高频电磁分析。
通过SIwave，工程师可以评估信号完整性、功率完整性和电源完整性，以确保设计在各种应用场景下的稳定性和性能。
功能特点1. 高频电路仿真ANSYS SIwave 2023支持高频电路仿真，能够准确模拟电路元件、导线、PCB板和芯片等高频设备的工作情况。
通过电磁仿真分析，工程师可以预测信号完整性、干扰和噪声等因素对电子系统的影响，从而优化设计方案。
2. 电源完整性分析SIwave提供了强大的电源完整性分析功能，可以评估设计中电源系统的稳定性。
工程师可以通过模拟电源电流分布、噪声和电压降等参数，找出潜在的问题并采取相应的措施进行优化。
3. 信号完整性分析在高速电路中，信号完整性对系统的性能至关重要。
SIwave可以帮助工程师分析信号传输路径中的反射、串扰和时延等问题，提供精确的信号完整性分析结果。
通过优化信号传输路径，可以提高系统的稳定性和数据传输速率。
4. PCB 电磁兼容性分析对于复杂的PCB设计，电磁兼容性是一个重要的考虑因素。
SIwave可以对PCB中的电磁相互作用进行准确的建模和仿真，帮助工程师检测和解决潜在的干扰问题，提高系统的抗干扰能力。
5. PCB 热分析SIwave还支持热分析功能，可以模拟PCB中的热分布和热传导，帮助工程师预测和解决潜在的热问题。
通过优化散热设计，可以提高系统的可靠性和性能。
优势1. 高精度的模拟和仿真ANSYS SIwave 2023采用先进的数值计算和模拟技术，能够提供高精度的仿真结果。
工程师可以在设计的早期阶段就准确地评估电子系统的性能和稳定性，避免后期的设计调整和成本增加。
2. 综合的仿真分析SIwave集成了电磁仿真、信号完整性分析、电源完整性分析和热分析等多种功能，可以综合评估电子系统在不同方面的性能。
ANSYS电源系统设计仿真平台
14
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
开关电源器件建模(IGBT、MOSFET)
基本电性能和热性能
Average IGBT model
驱动电路优化、EMI/EMC
Advanced dynamic model
根据仿真需求确定合适的IGBT建模类型
15
ANSYS电源系统设计仿真平台
ANSYS 中国
1
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
内容提要
典型电源系统及其挑战
ANSYS电源系统设计平台实现
总结
2 © 2011 ANSYS, Inc. May 31, 2013
电源系统应用领域
电源& 驱动器 交通运输
电源变换/电网质量改善 驱动器 板上电源 铁路运输
考虑绕组损耗、铁芯损耗、R,L,C参数和温升
Maxwell
可以与MAXWELL无缝集成进行更细致电磁 场分析 可以集成到Simplorer中进行系统仿真 SIMPLORER
20 © 2011 ANSYS, Inc. May 31, 2013
PExprt 设计流程-->指定性能指标
21
© 2011 ANSYS, Inc.
PExprt – 变压器和电感专家设计工具；
Maxwell – 部件电磁特性有限元分析工具；
Q3D Extractor – 提取PCB走线、接头及 线缆的寄生参数，是进行EMI EMC仿真 的重要工具；
Simplorer
Simplorer – IGBT、MOSFET参数化建模、 电源系统整体仿真分析 ANSYS 其它物理域软件 – 如ICEPAK、 MECHANICAL、FLUENT, 分析电源系统热、应力等特性
ANSYS开关电源设计及其EMIEMC分析
34 © 2012 ANSYS, Inc.
May 22, 2013
30k
136.5m
7.18pF
2000 1600 1200
Mosfet建模
Simplorer Model
Capacitance for STW4N150
Crss Coss Coss,Measured Ciss
C (pF)
800
400
Magnitude (dB)
2x SMT DO3316P-473 Coilcraft Inductor Impedance
100
Measured
80
Modeled
60
40
20
0
-20
2
3
4
5
6
7
10
10
10
10
10
10
90
45
Phase (deg)
0
-45
-90
2
3
4
5
6
7
10
10
10
10
10
10
Frequency (Hz)
• Relative Permeability = pwl($perm,Freq) • Magnetic Loss tangent = pwl($losstan,Freq)
Relative permitivity = 12 Conductivity = 0.5 (S/m)
17 © 2012 ANSYS, Inc.
Resistance
Curve Info Matrix1.R(pri_in,pri_in) Setup1 : LastAdaptive Matrix1.R(sec_in,sec_in) Setup1 : LastAdaptive
ansys电源仿真powertree
ansys电源仿真powertree【实用版】目录1.ANSYS 电源仿真的概念与原理2.ANSYS PowerTree 的应用与优势3.ANSYS 电源仿真的操作步骤4.ANSYS 电源仿真在电力系统中的应用案例5.ANSYS 电源仿真的发展趋势与展望正文一、ANSYS 电源仿真的概念与原理ANSYS 电源仿真是一种基于计算机的电力系统分析方法，它可以在虚拟环境中对电源系统进行建模、分析和测试。
电源仿真的核心目的是评估电源系统的性能，包括稳定性、可靠性和效率等方面。
ANSYS 提供了一种名为 PowerTree 的电源仿真工具，可以帮助工程师更加高效地完成电源系统的设计和优化。
二、ANSYS PowerTree 的应用与优势ANSYS PowerTree 具有强大的应用功能，可以广泛应用于电力系统的各个领域，包括发电、输电、配电和能源管理等。
以下是 ANSYS PowerTree 的主要应用优势：1.提高电源系统的设计质量：通过电源仿真，可以在设计阶段发现潜在的问题并及时解决，从而提高电源系统的设计质量。
2.降低系统运行风险：电源仿真可以帮助工程师预测电源系统的运行状态，避免出现过载、短路等故障，降低系统运行风险。
3.优化系统性能：通过电源仿真，可以找到提高系统性能的途径，例如提高电源转换效率、减少能源损耗等。
4.节省时间和成本：电源仿真可以在虚拟环境中完成实验，避免了实际实验的高昂成本和时间投入。
三、ANSYS 电源仿真的操作步骤ANSYS 电源仿真的操作步骤可以概括为以下几个步骤：1.创建电源系统模型：根据实际电源系统的结构和参数，在 ANSYS 中创建相应的模型。
2.添加边界条件：为了进行仿真计算，需要在模型中添加适当的边界条件，例如电压、电流等。
3.设定仿真参数：根据仿真目的，设置相关的仿真参数，例如仿真时间、求解方法等。
4.进行仿真计算：根据设定的参数，启动 ANSYS 仿真计算，得到电源系统的仿真结果。
ANSYS软件用于大功率脉冲电源仿真设计
11
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
关键技术问题
PCB板和元器件布局
固态调制器调节速度快，开关控制的电压电流大，寄生电感电容参数对系统影 响大。 当di/dt大于10kA/uS时，环路电感大于5-10nH,电路的性能将明显受到不良影 响。 PCB板和元件的布局在设计中至关重要。
19
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
用ANSYS软件解决关键技术问题
脉冲变压器
用ANSYS PExprt设计脉冲变压器。
PExprt用于电力电子领域中用于电感、变压器等电磁元件的设计以及分 析，结合传统磁路法和现代有限元分析技术、通过计算确定电磁元件的铁芯材 料、形状、铁芯尺寸、气隙以及绕组策略等，以达到最佳的可靠性、性能、或 者用户指定的其它指标。
ANSYS固态调制器方案
利用ANSYS软件平台功能考虑的下一步优化方向：
用薄铜带或金属绝缘膜隔离围绕在初次级间，减小分布电容，减小初级和 次级的相互干扰。
（PEmag(包含于PExprt)中，屏蔽层用绕组定义，可以定义其材质等）
34
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
3
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
背景介绍
应用领域
雷达发射
粒子加速器 工业辐照
4
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
背景介绍
雷达发射
5
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
背景介绍
粒子加速器
6
ansys电源仿真powertree
ansys电源仿真powertree摘要：1.安ANSYS PowerTree模块的基本概念和用途2.ANSYS PowerTree模块的主要功能和特点3.如何创建和编辑PowerTree电路4.PowerTree电路的仿真和分析5.应用PowerTree模块的实例和技巧正文：一、ANSYS PowerTree模块的基本概念和用途ANSYS PowerTree模块是一款专业的电力系统设计和仿真工具，它可以帮助工程师快速构建、分析和优化电力系统电路。
PowerTree模块主要用于电源设计、电源完整性分析、电磁兼容性分析等领域，它可以有效地解决高速电路中的电源噪声、电压跌落等问题。
二、ANSYS PowerTree模块的主要功能和特点1.强大的电路创建和编辑功能：PowerTree模块提供了丰富的电路元件库，包括电源、负载、变压器、整流器、滤波器等，用户可以方便地创建和编辑电力系统电路。
2.完善的仿真分析功能：PowerTree模块支持多种仿真分析模式，如稳态分析、瞬态分析、热分析等，可以帮助用户全面了解电路的性能和可靠性。
3.智能的优化算法：PowerTree模块采用了先进的优化算法，可以自动寻找电路中的最佳设计参数，提高电源系统的性能。
4.易于使用的界面：PowerTree模块的界面直观、易用，用户可以快速上手并进行电路设计和分析。
三、如何创建和编辑PowerTree电路1.打开ANSYS PowerTree模块，选择“File”>“New”创建一个新的项目。
2.在项目管理器中，双击“Design”节点，进入电路设计界面。
3.使用工具栏中的元件库，拖拽所需的电路元件到工作区。
4.使用“Properties”对话框编辑元件的参数，如电压、电流、功率等。
5.连接电路元件，创建完整的电力系统电路。
6.在项目管理器中，选择“Simulation”节点，设置仿真参数和分析类型。
四、PowerTree电路的仿真和分析1.完成电路设计后，启动仿真分析。
基于ANSYS的军用移动电源空载电压仿真研究
基于ANSYS 的军用移动电源空载电压仿真研究杨静1,王维俊1,涂亚庆2,左永刚3(11后勤工程学院营房管理与环境工程系,重庆400016;21后勤工程学院后勤信息工程系,重庆400016;31后勤工程学院军事供油工程系,重庆400016) 摘要:详细说明了利用ANSYS 有限元分析软件分析军用移动电源的空载磁场,仿真其空载电压的理论基础和实现方法。
军用移动电源样机空载电压的仿真结果与实测空载电压十分接近,证明此仿真方法是正确有效的,能为设计人员优化设计参数、提高军用移动电源的供电质量提供理论依据和方法。
关键词:电气工程;军用移动电源;空载磁场;空载电压;ANSYS 软件 中图分类号:TM30114文献标志码:A 文章编号:100021093(2009)0720896204Simulation Study on No 2load Voltage of Military Portable G eneratorB ased on ANSYSYAN G Jing 1,WAN G Wei 2jun 1,TU Ya 2qing 2,ZUO Y ong 2gang 3(11Department of Barracks ’Management and Environment Engineering ,Logistics Engineering University ,Chongqing 400016,China ;21Department of Logistical Information Engineering ,Logistics Engineering University ,Chongqing 400016,China ;31Department of Military Petroleum Supply ,Logistics Engineering University ,Chongqing 400016,China )Abstract :The theory and method of analyzing the no 2load magnetic field of military portable generator and simulating its no 2load voltage based on ANSYS program were explained in detail.The no 2load voltage simulation result of a prototype of military portable generator resembles its tested result ,this proves the simulation method to be correct and effective.The simulation result can provide theoretical bases and method for engineers in optimizing the design parameters to improve the power supply quali 2ty of military portable generator.Key words :electric engineering ;military portable generator ;no 2load magnetic field ;no 2load voltage ;ANSYS program 收稿日期:2008-03-01作者简介:杨静(1973—),女,博士研究生。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
18 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
用ANSYS软件解决关键技术问题
PCB板和元器件布局
ANSYS Q3D Extractor输入MCAD和ECAD几何模型，如PCB布局和元件布局， 并从关键器件上提取电气寄生参数，如环路电感、电容。可以在ANSYS Simplorer或者 Ansoft Designer中利用这些寄生参数来研究其对电路性能的影 响。从而优化电路设计，改善PCB布局和元件布局等。
May 31, 2013
背景介绍
工业辐照
7
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
背景介绍
目前在国内的高能粒子加速及雷达发射领域，大多采用工频率高 压电源及“闸流管/PFN/脉冲变压器”组成的线型调制器方案，技术相 对落后。
固态调制器技术是随着电力电子技术的发展及功率开关器件高速 度大功率背景下发展的新技术，与线型调制器相比，有以下优点：
May 31, 2013
用ANSYS软件解决关键技术问题
基于前述的关键技术问题，开发固态调制器最理想的方法是有利 用性能优异的软件仿真平台，在制作物理模型前，通过仿真分析最大 限度地真实地反映物理模型的各种物理特性，通过全方位分析虚拟模 型，优化模型性能，节约开发时间和成本。
16 © 2011 ANSYS, Inc.
对脉冲变压器原副边的终端阻抗建模，提高模型精度
35 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
ANSYS固态调制器方案
利用ANSYS软件平台功能考虑的下一步优化方向：
利用Q3D进一步提取PCB寄生参数，包括背板、驱动开关板、接地线和端口连接 利用Q3D进一步提取高压电路的寄生参数，包括RC网络和阴极引线环路 提高磁控管等效模型精度：采用“反向偏置二极管负载模型”或“压敏电阻模型” 吸收电路二极管采用Spice模型 储能电容采用等效电路 ………………………………
ANSYS固态调制器方案
基于磁控管的发射器
发射器是气象雷达的关键部件 主要的部件是固态调制器和磁控管 脉冲变压器使调制器和磁控管匹配
26 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
ANSYS固态调制器方案
磁控管简介
磁控管：高功率的脉冲射频振荡器（rf-oscillator) Rf输出功率：100kW 最大占空比：0.001 脉冲宽度：0.3us-3.3us 运行频率范围：8480-9620Mhz (X-band) 最大电压：18KV 用Simplorer搭建的等效电路模型：
3
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
背景介绍
应用领域 雷达发射 粒子加速器 工业辐照
4
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
背景介绍
雷达发射
5
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
背景介绍
粒子加速器
6
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
内容提要
背景介绍
关键技术问题
用ANSYS软件解决关键技术问题
ANSYS固态调制器方案
24 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
ANSYS固态调制器方案
ANSYS固态调制器方案用于气象雷达发射器中
25 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
31 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
ANSYS固态调制器方案
仿真结果和测试结果对比
基本吻合的指标：
-输出波形上升下降时间； -输出波形幅值
32 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
可以看出一些普通仿真软件 看不到的影响：
-寄生参数引起的振荡 -铁芯饱和效应
May 31, 2013
内容提要
背景介绍
关键技术问题
用ANSYS软件解决关键技术问题
ANSYS固态调制器方案
9
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
关键技术问题
输出波形质量要求高
输出波形接近矩形，尽量小的上升下降时间 脉冲幅值恒定，尽量小的脉冲电压顶降 脉冲宽度、频率可调
所以， 对系统级测试须满足以下要求： 科学的测试方案和策略 丰富和精度足够高的测试仪器 丰富的测试经验 …………
14 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
内容提要
背景介绍
关键技术问题
用ANSYS软件解决关键技术问题
ANSYS固态调制器方案
15 © 2011 ANSYS, Inc.
36 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
总结
利用ANSYS软件平台 Simplorer+PExprt+Q3D Extractor搭 建固态调制器仿真和设计平台，使用户能精确设计和仿真 包括固态快关模型、脉冲变压器模型、电路和元件寄生参 数模型等的系统，帮助用户节约设计时间和成本，全方位 分析和优化系统性能，将帮助设计生产出性能稳定优异的 固态调节器系统。
20 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
用ANSYS软件解决关键技术问题
脉冲变压器
PExprt的双2D 有限元分析法对设计的变压器参数分析结果：
21 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
用ANSYS软件解决关键技术问题
系统级测试、验证和优化
在ANSYS软件平台上，对接近真实物理模型的虚拟模型进行测试和验证， 具有很大的灵活性，仿真软件强大的求解能力和后处理能力，可以代替某些仪 器。 观察PCB和元件寄生参数对系统性能的影响，反过来优化PCB和元器件布
May 31, 2013
ANSYS固态调制器方案
对元件和PCB建模
脉冲变压器Pemag(包含在PExprt中）模型
半导体器件Spice 模型
磁控管等效模型
30 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
寄生参数Q3D提取的模型
ANSYS固态调制器方案
Simplorer+PExprt+Q3D 搭建的系统模型
May 31, 2013
用ANSYS软件解决关键技术问题
输出波形质量要求高
ANSYS PExprt设计脉冲变压器， ANSYS Q3D抽取PCB和元器件的寄生参数，如环路电感等， ANSYS Simplorer结合PExprt、 Q3D生成的模型搭建固态调制器仿真模型， 根据设计需求灵活设置驱动脉冲的宽度和频率，全面考察输出波形。
关键技术问题
系统级测试、验证和优化
系统级测试 可以确保固态调制器性能，节约设计成本和时间： 大功率MOSFET、IGBT对过电压和过电流噪声敏感 ，驱动电路和吸收电路设
计不科学易造成损坏； 牵涉问题范围广，如大电流和高电压的快速开关造成的EMI/EMC问题、驱动
电路设计问题、PCB布局问题、脉冲变压器特性问题，如果器件损坏或性能 不满足要求，定位问题难度高； 固态开关器件和变压器的设计必须留有足够裕量。
参数 最大峰值电压(V)
MOSFET 1200
一峰值些额的定脉大冲功电流率(AM) OSFET和1I0G0 BT参数表：
降额峰值功率（kW/单个器件） >80
开关速度-ON、OFF（nS）
<20
控制脉冲宽度
20ns-DC
控制脉冲功率（uJ/脉冲）
<5
IGBT 3300 3000 >7000 <200 600ns-DC <30
。
12 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
关键技术问题
脉冲变压器
副边电压高 原副边匝比高 低漏感 低耦合电容 高带宽 环形（漏感小） 磁芯要求适合脉冲工作： （磁感应强度高、磁导率高
温度及频率特性好）
13 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
19 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
用ANSYS软件解决关键技术问题
脉冲变压器
用ANSYS PExprt设计脉冲变压器。 PExprt用于电力电子领域中用于电感、变压器等电磁元件的设计以及分 析，结合传统磁路法和现代有限元分析技术、通过计算确定电磁元件的铁芯材 料、形状、铁芯尺寸、气隙以及绕组策略等，以达到最佳的可靠性、性能、或 者用户指定的其它指标。
波形可调 上升下降速度快 功率密度高 输入电压低 开关寿命长
某一高性能固态调制器指标要求，传统技术难以达到
参数 输出电压 电压上升/下降时间 平顶脉冲宽度 突速率
要求
20KV <=10ns 20ns-200ns连续可调 4脉冲@1.6MHz (脉冲间隔 ~600ns)
8
© 2011 ANSYS, Inc.
ANSYS软件用于大功率脉冲电源仿真设计
ANSYS 中国
1
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
内容提要
背景介绍
关键技术问题
ANSYS软件解决关键技术问题
ANSYS优软件实际方案
2
© 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013
背景介绍
大功率脉冲电源（又名固态调制器）基本原理
………………………………
22 © 2011 ANSYS, Inc.
May 31, 2013