全球正朝着更快充电和更小电动汽车尺寸的方向发展，这反过来要求电力电子在更小的空间内实现更多功能。对工程师而言，这些要求意味着旧有的"孤立"工作方式已经过时。例如，你不能再仅仅优化系统的电气部分，然后将其移交给热管理团队。如果热量上升，导电性就会发生变化;如果开关频率增加，你突然就需要处理在静态模型中从未见过的振动和声学问题。

这些物理现象不仅仅是"相互影响";它们彼此之间存在激烈的相互作用。使用简化计算或等待后期物理样机来发现这些问题会拖慢进程，坦率地说，这很可能导致代价高昂的现场故障。

例如，在现代逆变器中，物理现象并非孤立发生，而是会产生级联效应。当半导体器件将热量释放到母线排时，冷却并不是唯一的问题。温度变化会影响电导率，进而改变开关行为和磁特性。与此同时，温度梯度会引入机械应力，缓慢地使焊点和键合线变形。这些隐藏的相互作用常常是在现场导致设计失败的原因。

需要注意的两种隐藏相互作用示例包括：

疲劳陷阱：一个设计在纸面上可能看起来电气性能良好且热稳定，但如果忽略了循环机械应力，热机械疲劳将在预期寿命之前很久就损坏键合线或焊料层。

瞬态鸿沟：稳态模型捕捉的是最佳工况条件，但实际系统很少在此条件下运行。在静态分析中看起来可接受的冷却策略，一旦涉及瞬态开关损耗和波动气流，就可能失效。

在这一点上，"足够接近"已经不再足够好。一个统一的多物理场框架提供了更高的准确性，并使团队能够在单个样机制造出来并送上测试台之前，就通过软件发现那些代价高昂的意外。

仿真应用程序与数字孪生的优势

对于不每天进行仿真工作的人来说，多物理场模型可能很复杂。简化仿真集成的一种解决方案是使用仿真应用程序，它们是建立在高保真模型之上的、针对特定任务的工具。它们拥有专门的用户界面，只暴露与特定决策相关的参数，例如几何尺寸、材料属性或运行条件(如环境温度)。底层的物理模型保持一致且受控，用户无需成为底层仿真机制的专家，甚至无需打开完整的仿真环境。

物理模型也可以打包成数字孪生，它们使用最少的输入和输出集合。在实践中，数字孪生可以通过仿真应用程序实现，也可以通过使用API编写的自定义程序实现，并通常与其他软件服务集成。数字孪生代表了物理系统的虚拟对应物，反映了其几何结构、材料、边界条件和运行场景，并且可以在整个开发过程中反复使用。数字孪生技术仍在发展，尤其是在电力电子领域。如今，数字孪生概念最常被讨论用于：

在真实负载周期下预测温度分布并识别热点

评估功率循环期间的电气-热和热-机械应力

评估材料选择、封装概念和冷却策略之间的相互作用

支持涉及效率、功率密度和寿命的设计权衡

改善设计假设与实际运行行为之间的连续性

当快速反馈比完整细节更重要时，可以使用降阶模型或代理模型(图1)。这些模型基于仿真数据训练，采用机器学习技术，可以在很短的时间内再现系统行为，使其非常适合交互式研究和早期探索。最近，GPU加速已被用于加快代理模型的训练以及全尺寸仿真模型的求解。

图1

在实践中，仿真应用程序和数字孪生的实现方式差异很大，但无论如何使用，它们都为将仿真融入日常工程工作提供了一条可行的途径。例如，研发中的一个常见反模式是生产团队和建模专家在每个设计迭代中进行来回沟通。每次更改都需要重新进行一轮设置、仿真和解释，使得高级分析成为工作流的瓶颈。仿真应用程序打破了这种循环，让更多人能够获得基于物理的洞察：设计工程师可以更早地比较概念，制造团队可以检查工艺参数的影响，系统专家可以在相同的底层假设下探索运行条件。甚至销售部门也可以使用仿真应用程序。举个例子，销售工程师曾使用仿真应用程序在与客户的会议上实时展示设计变更的影响。

使用 COMSOL MultiphySICs® 进行多物理场建模

COMSOL Multiphysics® 软件通过其应用程序开发器，为多物理场建模和仿真应用程序开发提供了一个统一的环境。工程师无需将不同的工具拼接在一起，而是可以直接在单个模型中组合多个物理场接口。对于电力电子，团队可以结合：

电磁建模：涵盖电流、场以及电感和电容效应

热分析：涵盖焦耳热、电磁损耗和辐射

流固热动力学：用于自然和强制对流冷却，以及共轭传热

结构力学：用于热膨胀、应力和疲劳分析

半导体器件建模：用于mosfet、IGBT、二极管和宽禁带材料

在电力电子中，一个领域的变化会立即影响其他领域，无论是局部的还是在一定距离外的(例如磁耦合)。这种反应使得耦合对于预测高功率、高密度设计在仿真环境之外的行为至关重要。

以下案例研究说明了公司如何在实践中使用多物理场建模和仿真应用程序来处理这些相互作用。这些例子取自真实的工业项目，但隐去了公司身份。

图2

案例研究：电动汽车电力电子的电气-热优化

在电动汽车中，逆变器和直流链路电容器对效率、续航里程和可靠性有重大影响。一家全球汽车供应商使用多物理场仿真为下一代电驱系统重新设计了这些部件。

通过耦合电磁和热分析，工程师在开发早期就识别出了直流链路电容器中的局部热点(图3)。这种洞察使得在构建硬件样机之前就能够调整几何结构、材料和冷却概念。

其结果是一代具有更高功率密度和更长车辆续航里程的优化逆变器，这提供了一个例子，说明基于多物理场的仿真如何支持系统级性能的改进。

案例研究：仿真应用程序简化电动汽车电机开发

电机设计涉及电磁要求和机械要求之间的持续平衡。仅使用多物理场模型来测试和平衡扭矩及耐久性等要求可能很快变得耗时。

为了加快开发速度，一个汽车工程团队构建了一个仿真应用程序，可以自动进行转子叠片负载测试，从而更容易预测应力影响并对设计进行基准测试。用户能够快速调整参数，甚至获得包含强度评级的生成报告。该应用程序减少了重复的模型设置，最终为团队节省了时间和金钱。

图3

案例研究：使用仿真应用程序进行定制电容器设计

设计满足特定应用要求的电容器意味着平衡电场应力、热行为和封装约束。传统工作流通常需要多轮仿真和优化。

一家电子设备制造商的工程团队通过基于高保真多物理场模型构建仿真应用程序来应对这一挑战。这些应用程序提供了定制的用户界面，用户可以在其中调整诸如：

功率薄膜电容器的薄膜几何形状，以确定电容和电阻

圆柱形电容器中金属薄膜的薄膜和绕制特性，以计算功率密度

单极耳薄膜电容器的端子属性，以计算有效串联电感(ESL)

借助这些应用程序，设计团队和制造现场的团队可以更快地测试和比较想法。

案例研究：用于半导体封装设计的仿真应用程序

基于宽禁带半导体的高性能电力电子对效率、热稳定性和可制造性提出了严格要求。在一家碳化硅技术开发商，多物理场仿真支持了涉及电气、热和结构考量的设计决策。工程师创建了多个仿真应用程序，从而简化了设计分析。

一个应用程序专注于连接半导体器件的键合线。通过此应用程序，工程师可以评估键合线的熔断电流和阻抗，以确定他们需要多少根线。另一个应用程序使得确定高性能功率模块在运行期间的温度成为可能。

图4

该公司工程团队、主管和市场营销团队使用了这些及更多应用程序。不同的团队能够评估实际性能并更好地理解产品。

为下一代电力电子做好准备

电力电子处于电气化的核心。其性能和可靠性取决于电气、热、机械和流体现象之间的相互作用，这些相互作用是单物理场方法无法完全捕捉的。

宽禁带半导体、更高的开关频率和更紧密的集成将只会加剧电力电子中的多物理场相互作用。与此同时，缩短开发周期和控制成本的压力持续增长。基于多物理场的仿真和仿真应用程序提供了一个可扩展的应对方案。它们支持协作，并保留了详细的物理洞察，同时使先进分析能够被一小群专家之外的更多人使用。

通过将多物理场直接嵌入日常工程工作流，团队可以从被动故障排除转向更具预测性、模型驱动的开发。采用这种开发方法的团队将更有能力为下一代能源和移动系统提供可靠、高性能的电力电子设备。