作者：上海鷹峰電子科技有限公司 王偉旭

    0 引言

    你見過電流在母排中是如何“流動”和“分布”的嗎？

    你又可曾見過無數(shù)電子穿過擁擠的通道時的“發(fā)紅發(fā)熱”？

    如果你是“電子”，你愿意在母排上一片藍(lán)色荒蕪郊區(qū)的“鬼域”里“漫步”嗎？

    1 母排的載流

    當(dāng)電流流過母排（Busbar）時，在導(dǎo)體上會產(chǎn)生電流密度分布。圖1給出了仿真的一款母排極板的電流密度值及矢量分布。

    由圖1可以清晰地看出，電流自導(dǎo)體的首端流向尾端，電流密度矢量如同水流一般在導(dǎo)體內(nèi)部分布。當(dāng)電流密度矢量遇到“障礙物”時，則輕巧地繞過它而繼續(xù)行進(jìn)。

    2 母排的發(fā)熱

    電阻率是用來表示物質(zhì)電阻特性的物理量，是導(dǎo)體本身的基本屬性，用符號ρ表示。電流流經(jīng)疊層母排導(dǎo)體時，會產(chǎn)生一定的熱量。導(dǎo)體單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量（即發(fā)熱功率密度）可用式(1)來計算：
(1)

    p ——單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量，W/m³；

    j ——電流密度，A/m²；

    ρ ——導(dǎo)體的電阻率，Ω·m。

    由式(1)可知，在電流密度分布相同的情況下，導(dǎo)體的電阻率越高，其發(fā)熱量越大。因此，在溫升為關(guān)鍵制約因素的疊層母排設(shè)計過程中，應(yīng)優(yōu)先選擇電阻率小的導(dǎo)體材料。母排導(dǎo)體的發(fā)熱功率密度和穩(wěn)態(tài)溫升也可用軟件來仿真計算。圖2為仿真的以上款母排導(dǎo)體的發(fā)熱功率密度分布，圖3則為仿真的30℃環(huán)境和自然對流條件下此母排導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫度分布。

圖2 母排發(fā)熱功率密度分布

圖3 母排穩(wěn)態(tài)溫度分布

    另外，根據(jù)公式(1)同樣可以得出：在電阻率不變的情況下，導(dǎo)體的電流密度越大，其發(fā)熱量也越大。以下將對導(dǎo)體的電流密度對穩(wěn)態(tài)溫升的影響進(jìn)行仿真研究，圖4給出了一塊中間帶有狹窄通道的銅導(dǎo)體的仿真模型及邊界條件。

圖4 銅導(dǎo)體仿真模型及邊界條件

    圖5給出了當(dāng)輸入電流i為100A情況下，銅導(dǎo)體的發(fā)熱功率密度及穩(wěn)態(tài)溫度分布。由此可知，銅導(dǎo)體中間狹窄段的發(fā)熱功率密度和溫度最高。擁擠的通道引發(fā)高密度電流分布，一如交通的阻塞。如何降低母排導(dǎo)體的溫升，轉(zhuǎn)換為如何合理設(shè)計導(dǎo)體的電流密度。

    圖6則給出了仿真的銅導(dǎo)體的最高溫度隨輸入電流i的變化曲線。仿真驗證了“在電阻率不變的情況下，導(dǎo)體的電流密度越大，其發(fā)熱量越大”的結(jié)論。

圖6 銅導(dǎo)體最高溫度隨輸入電流變化曲線

    3 母排的優(yōu)化

    上海鷹峰電子生產(chǎn)的疊層母排（Laminated Busbar）由扁平導(dǎo)體涂有膠粘劑的絕緣膜構(gòu)成。為了減小線路的電阻值和增強(qiáng)導(dǎo)體的熱擴(kuò)散能力，要盡可能選擇電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱效果好的金屬作為導(dǎo)體材料。疊層母排的導(dǎo)體主要為銅材，這意味著導(dǎo)體占據(jù)著最高的材料成本。因此，在母排的優(yōu)化設(shè)計過程中，要盡可能用最少的導(dǎo)體來滿足母排的載流性能要求。圖7提出了一種疊層母排極板的優(yōu)化方法，圖8、9、10分別給出了仿真的該母排極板優(yōu)化前后電流密度矢量分布、發(fā)熱功率密度分布和穩(wěn)態(tài)溫度分布。

圖7 疊層母排極板優(yōu)化

圖8 疊層母排極板優(yōu)化前后電流密度矢量分布

圖9 疊層母排極板優(yōu)化前后發(fā)熱功率密度分布

圖10 疊層母排極板優(yōu)化前后穩(wěn)態(tài)溫度分布

    由以上仿真數(shù)據(jù)可以看出，通過對疊層母排極板的優(yōu)化設(shè)計，即砍去左上角大塊沒有電子“漫步”的“鬼城”。在節(jié)省了銅材料的前提下，母排的載流性能并未明顯的削弱。因此，該優(yōu)化設(shè)計方法對工程師在以后的疊層母排設(shè)計過程中具有一定的指導(dǎo)意義。

    4 結(jié)語

    通過對母排進(jìn)行電熱耦合仿真，可以清晰地看出電流（電子）在母排導(dǎo)體中的流動情況，甚至可以得到導(dǎo)體的發(fā)熱功率密度和穩(wěn)態(tài)溫度分布。沿著電子流動的方向，上海鷹峰電子提出了一種疊層母排極板的優(yōu)化設(shè)計方法。該方法得到了仿真驗證，對指導(dǎo)工程師設(shè)計疊層母排及實現(xiàn)公司節(jié)能降本具有非常重要的意義。<