198 – バスバーの熱応力解析

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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。また、過剰な発熱により熱ひずみが生じると、ボンディングワイヤの接続部に応力が集中し最悪の場合、断線する恐れがあります。このときの応力を熱応力と呼びます。熱応力が降伏応力を超えると形状が元に戻らないなどの不具合原因にもなりますので、発熱による熱応力分布を確認することは重要です。
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、電流分布によって偏ったジュール損失を正確に求めることができ、これを熱源とすることで電流の偏りを考慮した熱応力分布の予測を行うことができます。
ここでは、バスバーの電流密度、ジュール損失、温度、熱応力分布を求めています。

電流密度分布

各周波数における電流密度分布を図1に示します。図1より、表皮効果によりバスバーと銅薄板で電流密度に分布が生じていることがわかります。ボンディングワイヤは電流が流れる断面が小さいため、他と比較して特に電流密度が高くなっていることがわかります。

温度分布

バスバーの温度分布を図2に示します。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。特に、ボンディングワイヤの温度は200℃以上に達しています。

熱応力分布

ボンディングワイヤの熱応力分布を図3に示します。熱応力には分布があり、バスバーや銅薄板との接続箇所、また、湾曲部のトップにおいて大きな応力がかかっていることがわかります。温度上昇は焼損だけでなく、この様な局所的な熱応力がワイヤの破損の原因になるため、注意が必要となります。

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