針對HEV/EV市場的IGBT模塊仿真工具Ansoft

面對高度競爭化的混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車(HEV/EV)市場，動(dòng)力集成研發(fā)工程師正在向更高的系統(tǒng)效率、穩(wěn)定性和可靠性挑戰(zhàn)。功率逆變器在動(dòng)力集成系統(tǒng)中至關(guān)重要，通常由6個(gè)4×6英寸封裝的IGBT模塊組成。這些IGBT模塊通過快速地切換數(shù)百安培電流的通斷向電動(dòng)機(jī)輸出交流電，控制電子系統(tǒng)及其它系統(tǒng)。IGBT的開關(guān)頻率從數(shù)十kHz到數(shù)百kHz，開通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間達(dá)50~100ns。

高開關(guān)速度使得IGBT非常適用于功率逆變器系統(tǒng)但是它同時(shí)也帶來兩個(gè)主要的電磁問題：傳導(dǎo)輻射(通過載流結(jié)構(gòu)件)通常低于30MHz，可能導(dǎo)致電源完整性問題或者引起對逆變器和電動(dòng)機(jī)存在潛在危害的能量反射波；輻射電磁場(通過空氣)通常高于30MHz，可能影響車上其它電子系統(tǒng)。

為符合政府及國際車輛電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，上述兩類干擾問題在設(shè)計(jì)中必須被充分考慮。因此，負(fù)責(zé)的工程師必須對系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)件的電磁兼容和電磁干擾做出設(shè)計(jì)。為完成功率逆變器系統(tǒng)的電磁兼容和電磁干擾設(shè)計(jì)，工程師必須首先解決那些決定電磁兼容和電磁干擾的潛在物理因素，然后借助于電路和系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)。這種仿真驅(qū)動(dòng)式方法有利于處理其它必須考慮的電磁問題，包括電流品質(zhì)、功耗和系統(tǒng)整體效率。

通常采用線性電路元件和簡化電路求解器進(jìn)行這些計(jì)算需要大量粗略的近似和過度簡化的假設(shè)。跳過這些至關(guān)重要的基本物理機(jī)制的仿真，仿真結(jié)果將不再正確，在滿足性能要求之前可能需要硬件樣機(jī)測試——重新設(shè)計(jì)的多次反復(fù)。大多數(shù)情況下，這些測試周期要到設(shè)計(jì)過程的后期才能進(jìn)行，那樣成本會(huì)嚴(yán)重增加，并錯(cuò)過市場機(jī)遇。要想在功率逆變器制造之前、在開發(fā)的早期就能夠預(yù)估電磁的影響，沒有多物理域問題的仿真是不可能的。

Ansoft軟件包提供了用于IGBT這類器件電磁性能研究的全頻域多物理問題分析工具。Ansoft軟件的專長是電磁場仿真，同時(shí)還能對電路和系統(tǒng)進(jìn)行仿真?？捎糜诠β誓孀兤鏖_發(fā)的Ansoft工具包括：

Simplorer：一款多領(lǐng)域電路與系統(tǒng)仿真器，可以很方便的集成電氣、熱、機(jī)械、磁以及流體等多物理域仿真部件。

Q3D Extractor：一款準(zhǔn)靜態(tài)電磁場求解器，可用于計(jì)算頻變電阻、電感、電容和載流結(jié)構(gòu)件中的電導(dǎo)參數(shù)。

HFSS：一款基于有限元的全波求解器，可用于提取寄生參數(shù)和顯示三維電磁場。

為了精確的描述IGBT等開關(guān)器件的性能，工程師通常從參數(shù)化的向?qū)鸩?，利用該向?qū)Э蓪?dǎo)入供應(yīng)商提供的性能單中的IGBT性能曲線和表格數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理程序會(huì)自動(dòng)提取需要的參數(shù)(大約為140個(gè))來生成IGBT的半導(dǎo)體電路模型，無需手動(dòng)完成。

然后，功率變換器的設(shè)計(jì)版圖可以從CAD軟件或者版圖設(shè)計(jì)工具直接導(dǎo)入到Q3D Extractor工具中。Q3D Extractor從設(shè)計(jì)版圖中計(jì)算導(dǎo)電通路的頻變電阻、部分電感和電容。然后，工程師利用該工具生成等效電路模型以備在Simplorer中進(jìn)行系統(tǒng)仿真。該模型一旦建成，就可以與半導(dǎo)體電路模型相結(jié)合構(gòu)成IGBT的電氣完整性模型。電氣完整性模型可以用于電源、控制系統(tǒng)和負(fù)載的傳導(dǎo)輻射分析。

該仿真的結(jié)果可被HFSS用于檢驗(yàn)輻射發(fā)射——考慮到快速通斷時(shí)間序列引起的頻域諧波而特別關(guān)心的一種輻射。為了確定這一影響，Simplorer的結(jié)果可作為HFSS全波電磁求解器的輸入。然后，工程師可以全面地了解其輻射電磁場，并可以計(jì)算空間任意給定點(diǎn)的電磁場強(qiáng)度，并判斷逆變器封裝是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

用這種方法，工程師就可以利用Ansoft提供的工具來設(shè)計(jì)逆變器系統(tǒng)的電磁兼容、電磁干擾，并由其電磁性能溯源到逆變器的版圖設(shè)計(jì)。由此，對設(shè)計(jì)做出參數(shù)更改，并獲得一系列仿真結(jié)果，直到傳導(dǎo)輻射和輻射電磁發(fā)射等級在可接受的限值之內(nèi)為止。這種方法的價(jià)值在于：一旦完成了模型，就可以通過改變幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對設(shè)計(jì)做出修改，這使得工程師可以研究各種不同的參數(shù)方案，并在一個(gè)寬范圍內(nèi)做假設(shè)分析探索。這種方法可在無需絲毫硬件制造之前提供一種滿足性能要求并且完全優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。較之樣機(jī)加工——樣機(jī)測試模式，多物理域仿真方法可以節(jié)省時(shí)間和金錢，并使得公司以設(shè)計(jì)更好的產(chǎn)品參與市場競爭。