118 – バスバーの熱解析

アプリケーションノート・モデルデータ

概要

インバータ等のパワエレ機器の電力の供給ラインではバスバーやボンディングワイヤを介して電流が供給されます。インバータなどの機器は数(kHz)のPWMキャリア周波数で動作するため、周波数が高い電流がバスバーなどを流れます。このような高周波電流では、表皮効果による影響が無視できなくなり、抵抗や損失の増加が問題となってきます。過剰な発熱は効率の悪化や機器の損傷の原因となるため、各周波数における発熱や温度分布を考慮した設計が重要になります。
バスバーの形状は複雑であるため、電流通電時にどの場所に電流が偏って流れ、発熱源として効くのかを事前に予測するのは難しいです。有限要素法による磁界解析であれば、電流分布の偏りやジュール損失を正確に求め、それらを熱源とした温度分布の予測を行うことができます。
ここでは、電源周波数を変更した場合のバスバーなどの温度分布を求めています。

電流密度分布/ジュール損失の周波数特性

各周波数における電流密度分布を図1、ジュール損失の周波数特性を図2に示します。図1より、ボンディングワイヤと銅薄板で電流密度が高くなっていることがわかります。図2に示すように、周波数の増加に伴いジュール損失が大きく増加しています。これは、表皮効果によって電流が流れる断面積が減少し、抵抗が大きくなったためです。

温度分布/平均温度の周波数特性

バスバーの温度分布を図3、平均温度の周波数特性を図4に示します。いずれの周波数においても、電流密度と同様にボンディングワイヤと銅薄板で温度が高くなっています。また、10(kHz)、100(kHz)に比べて1(MHz)時の温度が急激に高くなっています。温度上昇は焼損だけでなく、熱応力の増加による機器の破損の原因にもなるため、注意が必要となります。

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