前 言
作者：工業技術研究院 李昱伸 副研究員
AI伺服器的高速成長使全球數據中心電力需求激增，電力轉換器的效率與功率密度成為關鍵挑戰。為了在高效率與低損耗間取得平衡，本文介紹以 PSIM + Flux 聯合模擬的開發流程，可於設計初期精準預測損耗分佈，驗證控制策略並評估熱性能，大幅縮短研發週期並提升產品效能。
【 功率模組損耗建模與分析（PSIM） 】
圖1 3.3kV/750A SiC 功率模組
步驟一：模型建立
功率模組模型：利用 PSIM 的 Device Database 將 datasheet 曲線（導通、切換、旁路二極體損耗）建立成模型，取代傳統查表計算，提高效率。
熱阻模型：設定環境溫度、散熱片熱阻及接觸熱阻，將損耗轉換為溫升，用於預估模組溫度並選擇合適散熱片。
控制策略驗證：以 C Block 撰寫控制邏輯並模擬 DAB 架構，驗證開關動作與 ZVS（零電壓切換）特性，縮短韌體開發時間。
步驟二：模擬與分析
元件設計依據：模擬波形提供線圈與鐵芯設計依據，並可協助選定適合的功率元件。
損耗分佈：模擬結果顯示滿載時功率模組總損耗約 3172W，其中 MOS 導通損佔 10%、切換損佔 87%、二極體導通損 3%，顯示切換損為主要改善方向。
溫度預估：根據損耗與熱阻模型，預估外殼溫度約 92℃，為散熱設計提供依據。
圖2 導通損失曲線建立流程
圖3 C block模組驗證控制策略
圖4 損耗分布圖
【 磁性元件損耗分析（Flux） 】
步驟一：模型與材料設定
幾何與網格：根據實體尺寸建立磁芯與繞組的 3D 模型，並自動生成網格。
材料屬性：設定磁芯的 B-H 曲線與 Bertotti 模型參數，分離磁滯損、渦電流損與附加損。
激勵條件：定義線圈材料與電流波形，高頻諧波將影響交流損耗，需精確設定。
步驟二：模擬結果分析
鐵損與銅損：模擬顯示平均鐵損 386W、直流銅損 11.3W、交流損耗 47.1W，凸顯高頻效應的重要性。
磁通分佈：磁通密度集中於氣隙與轉角區域（約 1.1T），並出現明顯邊緣磁通，若未考慮可能造成局部過熱。
熱分析：氣隙處最高溫達 90℃，可作為散熱結構優化依據。
圖5 材料設定流程
圖6 鐵損與銅損結果曲線圖
圖7 磁通密度分布圖
圖8 磁性元件溫度分布圖
【 模擬與實測結果比較 】
表1 模擬分析損耗結果
實測總損耗為 3670W，與模擬誤差約 7%。主要差異來自 PSIM 模擬中假設使用最差情況（175℃）。整體而言，模型能有效預估效率與損耗分佈，協助設計者在早期階段即明確掌握優化方向，取代傳統試錯法。
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項目
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數值
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Power module loss
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3172W
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Inductor copper loss
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58W
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Inductor core loss
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386W
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transformer copper loss
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228W
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transformer core loss
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105W
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Total loss
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3949W
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【 總結 】
整合 PSIM 與 Flux 的聯合模擬流程，為高頻、高功率密度電力轉換器提供完整設計驗證平台。
PSIM 優勢：
能進行系統層級的電路模擬、控制策略驗證與效率分析，大幅縮短開發時間。
Flux 優勢：
具備精密 3D 建模與多物理耦合能力，能準確預測磁通集中與渦電流損耗。
整合效益：
實現系統層與元件層的聯合設計驗證，縮短研發週期、提升效率與可靠性。
