ANSYS IGBT建模与系统设计解决方案

一、概述

新型电子电力器件IGBT是世界公认的电力电子第三次技术革命的代表性产品，具有高频率、高电压、大电流，特别是易于开通和关断的优良性能特点，目前已经在各种变流器应用中占有统治地位，是未来功率器件的主流发展方向。

近年来随着新能源车、智能电网、电动汽车、高速铁路、家电产品、工业控制和风力、光伏发电等领域的快速发展，IGBT器件市场需求不断扩大。

由于IGBT模块的电气性能、热性能、机械特性、寿命和可靠性基本上取决于芯片性能、材料性能、封装设计和生产工艺，要设计高性能的IGBT模块，除了引进或开发高性能的芯片、采用更好的材料，引进或改进生产工艺外，还需要对IGBT封装进行全面设计，包括：布局设计、结构设计、散热设计和材料选型等，解决IGBT模块电、磁、热、机械等多物理域中设计问题，对此，ANSYS 有完善的解决方案。

二、ANSYS IGBT封装设计解决方案

针对国内外IGBT封装设计的技术需求，ANSYS提出了全面的设计解决方案，以Workbench为电磁、热、结构、流体多物理域耦合设计平台，以Simplorer为器件特征化建模、开关特性测试、变流电路设计及传导干扰分析平台，通过单/双向的多物理域耦合技术和鲁棒性设计，器件与系统的降价模型和协同仿真接口，高效解决IGBT封装设计所面临的、多物理域耦合设计和高精度器件与电路、系统设计问题(图1)。

图1  ANSYS无缝集成的IGBT封装设计解决方案

三、 ANSYS IGBT封装设计解决方案的典型应用

1.1 IGBT特征化建模和开关特性测试

IGBT封装设计和变流器设计用户都会面临一个问题，即如何在设计阶段精确考虑IGBT开关特性对变流电路及系统性能的影响。这就需要对IGBT进行精确建模，从而评估其对系统的影响。ANSYS解决方案可根据供货商提供的datasheet实现特征化IGBT建模(包含各种特征参数和特性曲线)，并可一键生成IGBT的半桥测试电路和系统仿真模型，高效解决IGBT开关特性测试和系统性能分析问题(图2、图3)。

图2 基于Simplorer的IGBT特征化电气、热特性建模

图3 Simplorer一键输出IGBT半桥测试电路

1.2 IGBT寄生参数提取及系统性能分析

IGBT封装设计和部分变流器设计用户都关注一个问题，那就是传导路径的寄生参数对IGBT开关特性和系统性能的影响，这就需要对IGBT封装进行三维建模，通过电磁场仿真，提取其寄生参数并集成到系统设计中。ANSYS解决方案可直接导入IGBT封装的CAD模型，自动进行模型处理、自适应网格剖分和传导网络辨识，并通过电磁场求解输出其原始或降价RLCG矩阵，通过动态链接集成到变流电路或系统设计中，精确分析其开关特性和传导干扰对系统性能的影响(图4、图5、图6)。

图4 基于Q3D的IGBT寄生参数提取

图5  Simplorer逆变电路设计(集成IGBT特征化模型，Q3D母排、IGBT寄生参数模型)

图6 Simplorer电机控制系统设计和传导干扰分析(集成Q3D母排、IGBT、电缆寄生参数，Maxwell电机协同仿真模型和Simulink协同仿真算法)

1.3 IGBT电磁性能分析和传导路径优化

IGBT封装设计和部分变流器设计用户还关注一个问题，那就是IGBT传递额定或过大电流(例如：短路)时的电磁特性，包括：电流密度分布、空间磁场分布、损耗分布、均流特性等。ANSYS解决方案可直接导入IGBT封装的CAD模型，自动进行模型处理和自适应网格剖分，并通过静态或瞬态电磁场分析，精确评估IGBT在各种正常或故障工况电流激励下的电磁性能，包括：瞬态电流、损耗、电磁力曲线等，不同激励时刻的电流、损耗、电磁力分布等，有助于均流设计、传导路径优化，热设计、结构设计等(图 7)。

图 7 基于Maxwell的IGBT电磁特性分析(均流、损耗分布等)

1.4 IGBT多物理域耦合特性分析

IGBT封装设计和部分变流器设计用户还需要考虑多物理域耦合设计问题，因为IGBT传递额定或过大电流(例如：短路)时可能会产生不均匀分布的电磁损耗和电磁力，可能导致局部点过热或应力形变过大，从而导致IGBT失效或损坏。ANSYS解决方案可轻松解决单/双向的电磁与热、电磁与结构、热与结构、电磁与流体等多物理域耦合分析问题，即：直接映射静态或瞬态电磁分析的损耗密度分布到热求解器，分析其温升，可进一步考虑温升对导体电导率和电磁性能的影响；直接映射热分析的温度分布到结构求解器，或直接映射电磁分析的电磁力密度分布到结构求解器，分析其应力与形变，可进一步考虑其形变对电磁、热分析的影响；直接映射静态或瞬态电磁分析的损耗密度分布到流体求解器，精确分析其在各种散热条件下的温升，可进一步考虑温升对关键部件材料属性和电磁性能的影响等如图8、图9、图10所示。

图8 基于Workbench平台的电磁、热、结构单/双向耦合设计流程

图 9 基于Maxwell和Mechanical的IGBT电磁、热、结构耦合分析

图10 基于Maxwell和Mechanical的母排电磁、热、应力耦合设计

1.5 IGBT热模型提取及系统性能分析

对于IGBT封装设计和变流器设计用户可能需要考虑IGBT封装散热系统设计、热性能分析及其热模型对变流系统性能的影响。ANSYS解决方案可便捷地实现IGBT封装散热系统建模，考虑功率损耗、风扇、散热片等作用下系统的热性能，并可直接提取其热模型，用于变流电路或系统设计，分析IGBT在各种正常或故障开关损耗作用下的热性能和系统电气性能如图11、图12所示。

图11 基于Icepak的IGBT封装热模型提取

图12 基于Simplorer的逆变系统设计(集成Icepak IGBT封装热模型)

1.6 IGBT辐射干扰分析

对于IGBT封装设计和变流器设计用户可能还需要考虑IGBT工作时的电磁功率对系统的辐射影响。由于高功率IGBT通常工作在几千或几十千赫兹，其开通/关断时将产生大量的谐波，尤其是在考虑了IGBT、母排、电缆等寄生参数影响时。这些谐波将导致更高频率的开关损耗，由于IGBT功率较高，因而需要考虑可能导致辐射的高频谐波信号影响。ANSYS解决方案可直接输出Simplorer变流系统中IGBT的电磁功率瞬态曲线，通过FFT分析可得到其频谱，将关注频率下的电磁功率导入HFSS，即可分析该IGBT信号所导致的空间电磁辐射干扰(图13)，将该辐射干扰作为源再导入HFSS， 即可仿真IGBT电磁辐射对整机性能的影响(图14)。

图13 基于HFSS的IGBT封装辐射干扰分析

图14 基于HFSS场链接的IGBT辐射干扰源对整车系统的电磁干扰分析