simplorer igbt/mosfet特征化建模register.ansys.com.cn/ansyschina/minisite/201411_em... · dc...
TRANSCRIPT
IGBT在大功率变流器中的应用
IGBT晶圆特征化建模
IGBT封装寄生参数提取
IGBT封装特性分析与验证
IGBT封装热特性仿真分析
应用案例
目录
大功率变流器设计流程
大功率变流器
大功率变流器设计流程----2.功率IPM
IGBT晶圆特征化建模：静态特性模型
IGBT晶圆特征化建模：动态特性模型
IGBT晶圆特征化建模：系统建模(电气+热)
DC core
A
Energy calculation
B
Thermal network
F
DC core
A C
Thermal network
F
Capacities C(V), C(I)parasitics L, R, Ccontrolled sources
E
Full parameter excess
最快的仿真速度
• 精确的静态特性
• 精确的静态热网络模型
• 电压与电流的瞬态特性不考虑
• 适合系统级的仿真分析
静态特性模型 动态特性模型
最高的仿真精度:
• 最高精度级别的器件级模型
• 精确的静态、动态与热特性
• 精确的电压与电流瞬态特性波形
• 适合驱动系统桉树分析，EMI/EMC分析
开关电压和电流波形是方波
每个周期计算矩形开关损耗脉冲的幅值
并将开通、关断损耗注入热模型网络
IGBT晶圆特征化建模：静态特性模型
IGBT晶圆特征化建模：动态特性模型
与the Average model静态内核相同，开关能量由瞬态开关电压和电流直接积分得到。
能够用于EMI/EMC和开关噪声分析
-231.0n 618.0n0 200.0n 400.0n
-50.0
700.0
0
166.7
333.3
500.0
-172.0n 750.0n0 200.0n 400.0n 600.0n
-50.0
700.0
0
166.7
333.3
500.0
Poff Pon
IGBT晶圆特征化建模：特征化建模
Infineon :
eupec FZ600R12KE3
A characteristic extraction tool is used and it is parameter fitting from a data sheet.
Extraction Tool
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00Vce.V [V]
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
Ic.I [A
]
x02_OutputOutput Char. @Tj=125c
Curve Info
Ic.ITR
Output Characteristics Vce-Ic Data sheet
IGBT晶圆特征化建模：特征化建模
Infineon :
eupec FZ600R12KE3
A characteristic extraction tool is used and it is parameter fitting from a data sheet.
Extraction Tool
Data sheet
IGBT Diode
Base Plate
Heat Think
Thermal Capacitance
Grease
Thermal Dissipation Resistance
25C Ambient Temperature
Heat
Source
Thermal equivalent circuit
(IGBT & Diode built-in model)
IGBT晶圆特征化建模：特征化建模
-231.0n 618.0n0 200.0n 400.0n
-50.0
700.0
0
166.7
333.3
500.0
-172.0n 750.0n0 200.0n 400.0n 600.0n
-50.0
700.0
0
166.7
333.3
500.0
Turn-on Turn-off
高级动态模型
基本动态模型
IGBT晶圆特征化建模：特征化建模
IGBT设备 IGBT封装 IGBT晶圆
IGBT封装寄生参数提取
抽取封装的电阻、电感、电容（RLC）参数矩阵
IGBT封装寄生参数提取：RLC矩阵提取
利用Q3D边界元法
IGBT封装寄生参数提取：设置扫频
门极网络
发射极网络
集电极网络
设置扫频
stF
2
1max
IGBT封装寄生参数提取：生成RLC矩阵
IGBT封装寄生参数提取：为什么要扫频？
交流 22[Arms]: 300MHz 直流 22[A] : 开通状态
在交流300MHz工况下,由于集肤效应的影响会造成电流分布区不均匀
IGBT封装寄生参数提取：封装IGBT
Simplorer Circuit/ Add Subcircuit / Q3D Dynamic component
设计名称
工程名称
拖拽导入的Q3D模型
放置Q3D模型
LCR参数矩阵 器件电气/热参数
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50Time [ms]
0.00
1000.00
2000.00
3000.00
3673.95
Y1
Ansoft LLC Sheet4_TR_Y_static_dtimePowerLossesCurve Info
Diode601.PELTR
NIGBT_AdvDyn1.POWER_TTR
器件开关损耗波形
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50Time [ms]
27.00
27.05
27.10
27.14
Y1
Ansoft LLC Sheet4_TR_Y_static_dtimeTemperature RiseCurve Info
Diode601.TEMPJNCTTR
NIGBT_AdvDyn1.TEMPJ_TTR
器件温升曲线
母排
门极驱动
IGBT封装特性分析与验证：变流器系统仿真
IGBT封装特性分析与验证：开关过程中的波形
高级动态模型+封装寄生参数提取：开通/关断特性
• 即使器件工作在100Mhz，电场也主
要分布在器件周围；
• 然后器件的功率非常高，由此造成
了距离器件很远的地方电场强度依
然很高；
• 经过优化设计和分析，当前模型在
110MHz工况下，工作情况良好。
电场强度在100MHz，功率=10kW
Spectrum (MHz)Power
(W)E field at 1m for 1000w
(V/m)E field at 1m
(V/m)
16.52892562 21439.97604 2.6312 56.41286497
33.05785124 8635.09049 2.7994 24.17307232
49.58677686 5579.619715 2.8731 16.0308054
66.11570248 4131.16773 3.063 12.65376676
82.6446281 3276.823585 3.4045 11.15594589
99.17355372 2712.888158 3.8924 10.55964586
115.7024793 2308.359536 4.4861 10.35553171
132.231405 2022.75744 4.905 9.921625241
Spectrum (MHz)Power
(W)E field at 1m for 1000w
(V/m)E field at 1m
(V/m)
16.52892562 21439.97604 2.6312 56.41286497
33.05785124 8635.09049 2.7994 24.17307232
49.58677686 5579.619715 2.8731 16.0308054
66.11570248 4131.16773 3.063 12.65376676
82.6446281 3276.823585 3.4045 11.15594589
99.17355372 2712.888158 3.8924 10.55964586
115.7024793 2308.359536 4.4861 10.35553171
132.231405 2022.75744 4.905 9.921625241
Spectrum (MHz)Power
(W)E field at 1m for 1000w
(V/m)E field at 1m
(V/m)
16.52892562 21439.97604 2.6312 56.41286497
33.05785124 8635.09049 2.7994 24.17307232
49.58677686 5579.619715 2.8731 16.0308054
66.11570248 4131.16773 3.063 12.65376676
82.6446281 3276.823585 3.4045 11.15594589
99.17355372 2712.888158 3.8924 10.55964586
115.7024793 2308.359536 4.4861 10.35553171
132.231405 2022.75744 4.905 9.921625241
Spectrum (MHz)Power
(W)E field at 1m for 1000w
(V/m)E field at 1m
(V/m)
16.52892562 21439.97604 2.6312 56.41286497
33.05785124 8635.09049 2.7994 24.17307232
49.58677686 5579.619715 2.8731 16.0308054
66.11570248 4131.16773 3.063 12.65376676
82.6446281 3276.823585 3.4045 11.15594589
99.17355372 2712.888158 3.8924 10.55964586
115.7024793 2308.359536 4.4861 10.35553171
132.231405 2022.75744 4.905 9.921625241
Spectrum (MHz)Power
(W)E field at 1m for 1000w
(V/m)E field at 1m
(V/m)
16.52892562 21439.97604 2.6312 56.41286497
33.05785124 8635.09049 2.7994 24.17307232
49.58677686 5579.619715 2.8731 16.0308054
66.11570248 4131.16773 3.063 12.65376676
82.6446281 3276.823585 3.4045 11.15594589
99.17355372 2712.888158 3.8924 10.55964586
115.7024793 2308.359536 4.4861 10.35553171
132.231405 2022.75744 4.905 9.921625241
Spectrum (MHz)Power
(W)E field at 1m for 1000w
(V/m)E field at 1m
(V/m)
16.52892562 21439.97604 2.6312 56.41286497
33.05785124 8635.09049 2.7994 24.17307232
49.58677686 5579.619715 2.8731 16.0308054
66.11570248 4131.16773 3.063 12.65376676
82.6446281 3276.823585 3.4045 11.15594589
99.17355372 2712.888158 3.8924 10.55964586
115.7024793 2308.359536 4.4861 10.35553171
132.231405 2022.75744 4.905 9.921625241
Spectrum (MHz)Power
(W)E field at 1m for 1000w
(V/m)E field at 1m
(V/m)
16.52892562 21439.97604 2.6312 56.41286497
33.05785124 8635.09049 2.7994 24.17307232
49.58677686 5579.619715 2.8731 16.0308054
66.11570248 4131.16773 3.063 12.65376676
82.6446281 3276.823585 3.4045 11.15594589
99.17355372 2712.888158 3.8924 10.55964586
115.7024793 2308.359536 4.4861 10.35553171
132.231405 2022.75744 4.905 9.921625241
Spectrum (MHz)Power
(W)E field at 1m for 1000w
(V/m)E field at 1m
(V/m)
16.52892562 21439.97604 2.6312 56.41286497
33.05785124 8635.09049 2.7994 24.17307232
49.58677686 5579.619715 2.8731 16.0308054
66.11570248 4131.16773 3.063 12.65376676
82.6446281 3276.823585 3.4045 11.15594589
99.17355372 2712.888158 3.8924 10.55964586
115.7024793 2308.359536 4.4861 10.35553171
132.231405 2022.75744 4.905 9.921625241
IGBT封装特性分析与验证：开关过程电磁辐射
IGBT封装热特性仿真分析：ICEPAK
ANSYS Icepak 使用全球 CFD市场占有率最高的 ANSYS
FLUENT求解器 模型多 算法丰富 求解稳定 并行效能好
FLUENT求解器支持多种网格形式，并以其稳定、速度、精确与接近理想的并行效能闻名！
Fluent 求解器
贴体网格自动划分
ECAD & MCAD 数据导入
快速建模功能
WB 集成 (多物理场耦合)
结果可视化
IGBT引脚简化为没有厚度的plate
因为引脚很薄，且其材料的导热系数很大，这样的近似是合理的
将为后面的网格划分提供方便
IGBT封装热特性仿真分析：模型导入
IGBT封装热特性仿真分析：网格划分
IGBT封装热特性仿真分析：温度场
热源及引脚温度，最高温的二极管220度
冷板温度，最高处126度
IGBT封装热特性仿真分析：流速分析
冷板中面上水流速度矢量分布图
模组上方的空气流动矢量图，因主要是水冷散热，自然对流带走的热量少，流动不强
应用案例：中科院电工所
IGBT模块封装机车用变流器设计与验证
Time
0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms
V(L10:2,U6:2)
-100V
0V
100V
200V
实验
进出水口压差比较
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0.4 0.6 0.8 1 1.2流量(m3/h)
压差(kpa)
P3-P2(kpa)实验值
P3-P2(kpa)计算值
80kW电机/6L/7kg
电力电子与温度场设计 三维CAD设计技术 功率循环和冷却实验
高功率密度的驱动控制器技术
研究需求
IGBT模块封装技术
• 封装设计
• 可靠性研究
• IPM模块
IGBT模块封装
IGBT模块封装设计仿真需求
IGBT模块封装设计
1.电气特性设计
多芯片均流设计 杂散电感计算 EMI/EMC设计
2.热特性设计
温度分布和最高结温
3.机械特性设计
热应力
耐冲击
电特性 热特性
机械特性
损耗
结温
均流
杂散参数
EMI EMC 芯片模型
转移特性仿真电路 伏安特性仿真电路，Vge=15V
Vge
Datasheet 仿真模型
Value（Vce=2V） Value
（Vce=3V） Error（%）
20 1000A 980A 0.2%
15 800A 800A 0.0%
12 700A 680A 0.28%
10 580A 520A 10.3%
FF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证
直流电源Vd
200V
线路杂散电感1
L=130nH
线路杂散电感3
L=120nH
C=3300uF
电解电容
20nH
1nF
门级杂散电容
射极引线电感
L=30nH
L=20nH
线路杂散电感2
门级驱动电阻
1.2ohm
驱动电压
15V
0
Lc1
射极杂散电感
L=30nH
负载电阻
R=0.4ohm
负载电感
L=0.45mH
Lc2
C=3300uF
Vce Ic 负载
电阻
负载电
感
驱动电
压Vgs
开关频
率fs 占空比
实验1 75V 170A 0.4Ω 0.45mH +17V，
-13V 833HZ 93%
实验2 200
V 400A 0.4Ω 0.45mH
+17V，
-13V 833HZ 93%
FF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证
-2 0 2 4 6 8 10 12
x 10-6
-50
0
50
100
150
200
250
Time （s）
Turn on waveform:75V/170A
Vce-test
Vce-simu
Ic-test
Ic-simu
开通波形（75V/170A）
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
x 10-5
-100
0
100
200
300
400
500
600
Time （s）
Turn on waveform:200V/400A
Vce-test
Vce-simu
Ic-test
Ic-simu
开通波形（200V/400A）
FF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
x 10-5
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Time （s）
Turn on waveform Vge:75V/170A
Vge-test
Vge-simu
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
x 10-5
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Time （s）
Turn on waveform Vge:200V/400A
Vge-test
Vge-simu
开通门极电压Vge波形（75V/170A） 开通门极电压Vge波形（200V/400A）
FF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证
-1 0 1 2 3 4 5 6
x 10-6
-50
0
50
100
150
200
250
Time （s）
Turn off waveform:75V/170A
Vce-test
Vce-simu
Ic-test
Ic-simu
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
x 10-5
-100
0
100
200
300
400
500
Time （s）
Turn off waveform:200V/400A
Vce-test
Vce-simu
Ic-test
Ic-simu
关断波形（75V/170A） 关断波形（200V/400A）
FF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证
0 1 2 3 4 5 6
x 10-6
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Time （s）
Turn off waveform Vge:75V/170A
Vge-test
Vge-simu
-2 0 2 4 6 8 10 12
x 10-6
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
Time （s）
Turn off waveform Vge:200V/400A
Vge-test
Vge-simu
关断门极电压Vge波形（75V/170A） 关断门极电压Vge波形（200V/400A）
FF1200R17KE3模块的行为模型建模及实验验证
底面0℃，芯片发热损耗功率为30/50/50W
ANSYS
静态热分析
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50
2
4
6
8
10
12
14
与恒温面间的距离d（mm）
与恒温面之间的温差
T（℃）
O
A
BC
DE
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 510
10.5
11
11.5
12
12.5
13
X方向与IGBT中心点的相对值：x - IGBTcenter(x)（mm）
与恒温面之间的温差
T（℃）
IGBT静态热特性分析
IGBT模块热分析及热阻计算
IGBT模块热分析及热阻计算
IGBT瞬态热特性分析
1 1.005 1.01 1.015 1.02 1.025 1.03 1.035 1.04 1.045 1.050
5
10
15
20
25
30
35
40
time（ms）
Pow
erL
oss(k
W）
IGBT模块开关损耗
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-20
0
20
40
60
80
100
120
140
time（s）P
ow
erL
oss（
W）
IGBT模块热分析及热阻计算
整体温度分布
芯片温度分布
铝丝电流分布
整体电流分布
最高温度点发生变化
热电耦合瞬态分析仿真结果
IGBT模块热分析及热阻计算
• 电热耦合和独立热仿真的差别：
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 59
9.5
10
10.5
11
11.5
12
12.5
13
13.5
14
Y方向与FRED中心点的相对值：y - FREDcenter(y)（mm）
与恒温面之间的温差
T（℃）
IEE400A600V在ANSYS中热电仿真和热仿真结果对比FRED-Y
ANSYS热电仿真
ANSYS热仿真
IGBT热分析及热阻计算
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
2
4
6
8
10
12
14
16
time（s）
Tem
pera
ture（℃）
IGBT热仿真瞬态和静态结果对比
瞬态仿真
瞬态仿真平均值
静态仿真
芯片结温对比
IGBT芯片结温直接影响芯片电气特性和模块的安全运行，因此结壳温差是热仿真中最关键分析点之一。
根据不同研究目标，可采用不同的仿真方法。
10-3
10-2
10-1
100
10-2
10-1
Zth
JC
[K
/W]
t [s]
Thermal impedance curve of IGBT chip to case in 400A600V IGBT module
IGBT模块热分析及热阻计算
i 1 2 3 4
Ri [K/kW] 55.3 30.14 12 29.67
τi [ms] 31.05 1.448 12.34 42.89
/
1
( ) (1 )i
nt
thJC i
i
Z t R e
Analytical function for transient thermal impedance:
根据瞬态温升结果，得到模块结壳热阻抗如左图所示。
多芯片IGBT封装中影响因素 模块杂散电感 芯片电气参数一致性
分析方法： 采用集总电路法，采用IGBT芯片级模型，校验各芯片在开通与关断时的电流暂态变化
Q3D
IGBT芯片均流分析
IGBT芯片均流分析
0
+
V
VM1
R3
L1
L2
IGBT2 FRD1IGBT1 IGBT4 FRD2IGBT3
IGBT7 FRD4IGBT8IGBT6 FRD3IGBT5
pageport_0
pageport_0
pageport_0
等效电路图
采用IGBT与二极管芯片等效电路模型
0
E1 Box42:frd1_p Box42:frd2_p
Box42:igbt1_e
Box42:igbt2_e
Box42:igbt3_e
Box42:igbt4_e
NONE40:frd1_n NONE40:frd2_n
NONE40:igbt1_c
NONE40:igbt2_c
NONE40:igbt3_c
NONE40:igbt4_c
NONE90:IGBT1_g
NONE90:IGBT2_g
NONE90_1:IGBT3_g
NONE90_1:IGBT4_g
Box42:AC
NONE40:P
NONE90:ignt12_g
NONE90_1:igbt34_g
A
AM4
A
AM3
A
AM1
A
AM2
I
Diode60_2
I
Diode60_1
A
AM5
L1
R3
E4
+
V
VM4
R4
C1
ano
gate
kat
ano
gate
kat
ano
gate
kat
ano
gate
kat
I
Diode60_3
正
负
AC
IGBT芯片均流分析
4.7995 4.8000 4.8005 4.8010 4.8015 4.8020 4.8023Time [ms]
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
Y1
[A
]
Simplorer1Current ANSOFT
Curve Info
AM1.ITR
AM2.ITR
AM3.ITR
AM4.ITR
1.2000 1.2010 1.2020 1.2030 1.2040 1.2045Time [ms]
-13.94
-10.00
-5.00
0.00
5.00
10.00
15.00
Y1
[V
]
Simplorer1XY Plot 5 ANSOFT
Curve Info
IGBT4_Vge.VTR
IGBT3_Vge.VTR
IGBT1_Vge.VTR
IGBT2_Vge.VTR
1.2003 1.2005 1.2008 1.2010 1.2013 1.2015 1.2017Time [ms]
1.31
2.50
5.00
7.50
10.00
12.50
14.99
Y1
[V
]
Simplorer1XY Plot 4 ANSOFT
Curve Info
IGBT2_Vce.VTR
igbt1_Vce.VTR
IGBT3_Vce.VTR
IGBT4_Vce.VTR
开通过程 导通时小于10% 电流尖峰17%
IGBT芯片均流分析
2.3161 2.3162 2.3163 2.3164 2.3165 2.3166 2.3167Time [ms]
1.22
5.00
10.00
15.00
20.00
24.61
Y1
[V
]
Simplorer1XY Plot 4 ANSOFT
Curve Info
IGBT2_Vce.VTR
igbt1_Vce.VTR
IGBT3_Vce.VTR
IGBT4_Vce.VTR
2.3160 2.3170 2.3180 2.3190 2.3200Time [ms]
-13.47
-10.00
-5.00
0.00
5.00
10.00
15.00
Y1
[V
]
Simplorer1XY Plot 5 ANSOFT
Curve Info
IGBT4_Vge.VTR
IGBT3_Vge.VTR
IGBT1_Vge.VTR
IGBT2_Vge.VTR
3.5163 3.5165 3.5168 3.5170 3.5173 3.5175 3.5178 3.5180Time [ms]
0.71
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
28.83
Y1
[A
]
Simplorer1Current ANSOFT
Curve Info
AM1.ITR
AM2.ITR
AM3.ITR
AM4.ITR
关断过程
模块封装与实验
车用控制器散热底板分析
边界条件
水流量L/mi（m/s） 进水口温度℃ 热源功率W
6（0.65） 40 4678
Icepak 实验值
模型选择 面热源
最高温度（℃） 95.3 99.2
最低温度（℃） 68.9 71.4
压差（kpa） 2.8 2.2
