前言

近年來隨著智能電網、電動汽車、高速鐵路、家電產品、工業控制和風力、光伏發電等領域的快速發展，IGBT器件市場需求不斷擴大。國內龐大的市場基礎、 潛在的電力電子裝備關鍵器件完全依靠進口的風險和國家產業升級共同推動了本土IGBT芯片設計、模塊封裝的技術進步和創新。

針對國內外IGBT封裝設計的技術需求，Ansys提出了全面的設計解決方案，以Workbench為電磁、熱、結構、流體多物理域耦合設計平臺，以Simplorer為器件特征化建模、開關特性測試、變流電路設計及傳導干擾分析平臺，通過單/雙向的多物理域耦合技術和魯棒性設計，器件與系統的降價模型和協同仿真接口，高效解決IGBT封裝設計所面臨的、多物理域耦合設計和高精度器件與電路、系統設計問題。

解決方案說明

欲探討IGBT功率模塊的解決方案, ?需要了解包含封裝的IGBT特性、 直流電流分布、 電流開關的功率損耗、功率損耗確定環境電磁場如圖一所示。

利用Ansys軟件即可分析IGBT封裝模型與電磁特性研究、寄生參數抽取、建立IGBT電路模型、電磁場的遠場特性分析, ?如圖二所示。

圖二、利用Ansys軟件計算出IGBT模塊的電磁分析

圖三是Ansys Maxwell軟件計算出來的電流特性，軟件采用FEM(有限元)算法, 對電磁場梯度大的地方多布些網格作自適應網格剖分, 在圖三中可以觀察到電流密度仿真結果, ?電流密度相差2到3個梯度, ?進而可以觀察到電流分布的特性來判斷是否要在布局(Layout)上作設計上的優化與改善。

圖三、利用Ansys軟件計算出IGBT模塊的電磁特性分析

由于IGBT器件主要是分析電源開關在每次開通/關斷的時域波形, ?Ansys軟件可以在Simplorer上作系統級的建模, ?進而分析IGBT開關在非常小的時間步 (hmin = 10ps)的開通/關斷的時域波形, ?進而判斷波形是否正常由圖四所示。

圖四、利用Ansys Simplorer軟件計算出IGBT模塊的時域波形

圖五是考慮了RLCG寄生參數的輸出波形, ?隨著頻率越來越高會產生集膚效應(skineffect), ?在Ansys Q3D軟件可以抽取寄生參數, ?將抽取出的寄生參數在放到Simplorer系統及仿真即可觀察有無寄生參數的輸出波形上的差異, ?從圖五中可以發現加入寄生參數的波形會產生過沖與震蕩, ?這才是真實的波形結果。

圖五、考慮了RLCG寄生參數的輸出波形

結論

Ansys Workbench為Ansys軟件針對多重物理耦合所開發之平臺，在此平臺上可同時考慮多個物理場現象，如圖六與圖七所示。在圖六為電—熱耦合計算, ?可以分析出三個不同打線模型的溫度, ?從圖中可以發現溫度差異并不大。在圖七為熱—結構耦合計算, 應力受接觸面積和鍵合線彎曲程度的影響。可以發現接觸面積越小，產生的應力越大、 焊線的彎曲度越高，應力就越大。Ansys軟件可以在設計前期做可靠性分析, ?在此Ansys提供了完整的解決辦法, ?都能夠在Ansys多重物理場耦合的平臺內分析。

圖六、Ansys Workbench平臺將熱源導入AnsysMechanical

圖七、Ansys Workbench平臺將熱源導入Ansys Mechanical

編輯：黃飛