針對HEV/EV市場(chǎng)的IGBT模塊仿真工具Ansoft

面對高度競爭化的混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)(HEV/EV)市場(chǎng)，動(dòng)力集成研發(fā)工程師正在向更高的系統效率、穩定性和可靠性挑戰。功率逆變器在動(dòng)力集成系統中至關(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(guò)快速地切換數百安培電流的通斷向電動(dòng)機輸出交流電，控制電子系統及其它系統。IGBT的開(kāi)關(guān)頻率從數十kHz到數百kHz，開(kāi)通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間達50~100ns。

高開(kāi)關(guān)速度使得IGBT非常適用于功率逆變器系統但是它同時(shí)也帶來(lái)兩個(gè)主要的電磁問(wèn)題：傳導輻射(通過(guò)載流結構件)通常低于30MHz，可能導致電源完整性問(wèn)題或者引起對逆變器和電動(dòng)機存在潛在危害的能量反射波；輻射電磁場(chǎng)(通過(guò)空氣)通常高于30MHz，可能影響車(chē)上其它電子系統。

為符合政府及國際車(chē)輛電磁輻射標準，上述兩類(lèi)干擾問(wèn)題在設計中必須被充分考慮。因此，負責的工程師必須對系統基本結構件的電磁兼容和電磁干擾做出設計。為完成功率逆變器系統的電磁兼容和電磁干擾設計，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完成設計。這種仿真驅動(dòng)式方法有利于處理其它必須考慮的電磁問(wèn)題，包括電流品質(zhì)、功耗和系統整體效率。

通常采用線(xiàn)性電路元件和簡(jiǎn)化電路求解器進(jìn)行這些計算需要大量粗略的近似和過(guò)度簡(jiǎn)化的假設。跳過(guò)這些至關(guān)重要的基本物理機制的仿真，仿真結果將不再正確，在滿(mǎn)足性能要求之前可能需要硬件樣機測試——重新設計的多次反復。大多數情況下，這些測試周期要到設計過(guò)程的后期才能進(jìn)行，那樣成本會(huì )嚴重增加，并錯過(guò)市場(chǎng)機遇。要想在功率逆變器制造之前、在開(kāi)發(fā)的早期就能夠預估電磁的影響，沒(méi)有多物理域問(wèn)題的仿真是不可能的。

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

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

Q3D Extractor：一款準靜態(tài)電磁場(chǎng)求解器，可用于計算頻變電阻、電感、電容和載流結構件中的電導參數。

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

為了精確的描述IGBT等開(kāi)關(guān)器件的性能，工程師通常從參數化的向導起步，利用該向導可導入供應商提供的性能單中的IGBT性能曲線(xiàn)和表格數據。數據處理程序會(huì )自動(dòng)提取需要的參數(大約為140個(gè))來(lái)生成IGBT的半導體電路模型，無(wú)需手動(dòng)完成。

然后，功率變換器的設計版圖可以從CAD軟件或者版圖設計工具直接導入到Q3D Extractor工具中。Q3D Extractor從設計版圖中計算導電通路的頻變電阻、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)行系統仿真。該模型一旦建成，就可以與半導體電路模型相結合構成IGBT的電氣完整性模型。電氣完整性模型可以用于電源、控制系統和負載的傳導輻射分析。

該仿真的結果可被HFSS用于檢驗輻射發(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(chǎng)，并可以計算空間任意給定點(diǎn)的電磁場(chǎng)強度，并判斷逆變器封裝是否符合相關(guān)標準。

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