針對(duì)HEV/EV市場(chǎng)的IGBT模塊仿真工具Ansoft

面對(duì)高度競(jìng)爭(zhēng)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(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(guò)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(kāi)關(guān)頻率從數(shù)十kHz到數(shù)百kHz，開(kāi)通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間達(dá)50~100ns。

高開(kāi)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(lái)兩個(gè)主要的電磁問(wèn)題：傳導(dǎo)輻射(通過(guò)載流結(jié)構(gòu)件)通常低于30MHz，可能導(dǎo)致電源完整性問(wèn)題或者引起對(duì)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(chǎng)(通過(guò)空氣)通常高于30MHz，可能影響車(chē)上其它電子系統(tǒng)。

為符合政府及國(guó)際車(chē)輛電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，上述兩類(lèi)干擾問(wèn)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(duì)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(wèn)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(jiǎn)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(guò)度簡(jiǎn)化的假設(shè)。跳過(guò)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(cè)試——重新設(shè)計(jì)的多次反復(fù)。大多數(shù)情況下，這些測(cè)試周期要到設(shè)計(jì)過(guò)程的后期才能進(jìn)行，那樣成本會(huì)嚴(yán)重增加，并錯(cuò)過(guò)市場(chǎng)機(jī)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(yù)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(zhǎng)是電磁場(chǎng)仿真，同時(shí)還能對(duì)電路和系統(tǒng)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(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(chǎng)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(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(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(lái)生成IGBT的半導(dǎo)體電路模型，無(wú)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(chǎng)，并可以計(jì)算空間任意給定點(diǎn)的電磁場(chǎng)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(lái)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(duì)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(jí)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(guò)改變幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)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(wú)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(cè)試模式，多物理域仿真方法可以節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)，并使得公司以設(shè)計(jì)更好的產(chǎn)品參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。