3相インバータIGBTの伝熱解析 3Dモデルの低次元化による電気回路との連成

インバータのパワー半導体として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）が利用されます。IGBTは熱効率がよいことで知られていますが、トータルの電力が大きければ、損失も大きくなります。また、IGBTの電気的特性は温度に依存し、温度が高すぎると、信頼性と耐久性が低下します。そのため、電気的特性と熱的特性を連成させた詳細な解析が必要となります。　パワー半導体デバイスの詳細設計ではシミュレーションおよび並列処理の飛躍的な向上を背景に複数場の連成解析なども幅広く利用されています。ただし、システム全体を3次元で扱おうとすると大量のデータが発生するため、近年では3次元モデルを低次元化してデータ量および計算時間を削減し、且つより精度のよいシステム全体の解析を実施する方法がとられています。その手法をReduced Order Model（ROM）といいます。本解析では、ROM技術を利用し、インバータモデルのシステムシミュレーションの事例を紹介します。

熱流体解析の計算結果から熱伝達係数を算出し、取り込んでみました。Ansys Workbench環境ではAnsys製品以外の熱流体解析からでも座標値および熱伝達係数のデータファイルがあれば簡単に取り込み、モデルにマッピングすることができます。熱流体解析より取り込んだ熱伝達を利用しAnsys Mechanicalで計算した結果とModel Reduction inside Ansysで出力したROMを利用した結果を比較すると、こちらもほぼ一致していることが確認できます。一定の発熱量であるため、300[s]までの計算時間に関しては両者において高速に計算されていることが確認できます。