全面的IGBT封裝設(shè)計解決方案

前言

近年來隨著智能電網(wǎng)、電動汽車、高速鐵路、家電產(chǎn)品、工業(yè)控制和風(fēng)力、光伏發(fā)電等領(lǐng)域的快速發(fā)展，IGBT器件市場需求不斷擴大。國內(nèi)龐大的市場基礎(chǔ)、 潛在的電力電子裝備關(guān)鍵器件完全依靠進口的風(fēng)險和國家產(chǎn)業(yè)升級共同推動了本土IGBT芯片設(shè)計、模塊封裝的技術(shù)進步和創(chuàng)新。

針對國內(nèi)外IGBT封裝設(shè)計的技術(shù)需求，Ansys提出了全面的設(shè)計解決方案，以Workbench為電磁、熱、結(jié)構(gòu)、流體多物理域耦合設(shè)計平臺，以Simplorer為器件特征化建模、開關(guān)特性測試、變流電路設(shè)計及傳導(dǎo)干擾分析平臺，通過單/雙向的多物理域耦合技術(shù)和魯棒性設(shè)計，器件與系統(tǒng)的降價模型和協(xié)同仿真接口，高效解決IGBT封裝設(shè)計所面臨的、多物理域耦合設(shè)計和高精度器件與電路、系統(tǒng)設(shè)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(guān)的功率損耗、功率損耗確定環(huán)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(shù)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(wǎng)格作自適應(yīng)網(wǎng)格剖分, 在圖三中可以觀察到電流密度仿真結(jié)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(shè)計上的優(yōu)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(guān)在每次開通/關(guān)斷的時域波形, ?Ansys軟件可以在Simplorer上作系統(tǒng)級的建模, ?進而分析IGBT開關(guān)在非常小的時間步 (hmin = 10ps)的開通/關(guān)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(shù)的輸出波形, ?隨著頻率越來越高會產(chǎn)生集膚效應(yīng)(skineffect), ?在Ansys Q3D軟件可以抽取寄生參數(shù), ?將抽取出的寄生參數(shù)在放到Simplorer系統(tǒng)及仿真即可觀察有無寄生參數(shù)的輸出波形上的差異, ?從圖五中可以發(fā)現(xiàn)加入寄生參數(shù)的波形會產(chǎn)生過沖與震蕩, ?這才是真實的波形結(jié)果。

圖五、考慮了RLCG寄生參數(shù)的輸出波形

結(jié)論

Ansys Workbench為Ansys軟件針對多重物理耦合所開發(fā)之平臺，在此平臺上可同時考慮多個物理場現(xiàn)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(fā)現(xiàn)溫度差異并不大。在圖七為熱—結(jié)構(gòu)耦合計算, 應(yīng)力受接觸面積和鍵合線彎曲程度的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)接觸面積越小，產(chǎn)生的應(yīng)力越大、 焊線的彎曲度越高，應(yīng)力就越大。Ansys軟件可以在設(shè)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(nèi)分析。

圖六、Ansys Workbench平臺將熱源導(dǎo)入AnsysMechanical

圖七、Ansys Workbench平臺將熱源導(dǎo)入Ansys Mechanical

編輯：黃飛