电源变换器设计中的热管理和电磁兼 容挑战
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ANSYS能够解决哪些问题
仿真分析目的 = 优化整机系统性能 电性能、热性能以及EMI问题 详细的部件分析Detailed Component Analysis
•
IGBT以及驱动PCB 板性能
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IGBT 封装模型简介 初始设计 All Aluminum metallization 分析模型在100A负债工况下的性能
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为什么需要对初始设计进行修改? 1.
尽可能降低IGBT封装的AC & DC 电阻
2.
尽可能降低IGBT封装的AC & DC电感
3.
降低系统的传导干扰特性
保证IGBT工作频率与驱动阻抗匹配
7.
提升器件的可靠性
尽可能降低IGBT驱动板的EMI特性
6.
提升器件的可靠性
尽可能降低封装导体电流密度以降低设备的热效应
5.
降低开关瞬间电压过冲
IGBT封装模块均流特性分析
4.
降低封装的电压降损耗
提升系统性能Maximize performance
阻止IGBT设备出项热失效的风险 © 2015 ANSYS, Inc.
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从场求解器到电路求解器：ROM模型 EMI 分析 LRC 参数提取 热特性
IGBT 封装门极驱动板 热特性 三相线缆模型
电路分析
动态部件 状态空间模型 (与频率关联)
Air flow speed = 2 m/s
优势: 速度与精度 加快设计流程 参数变化对系统的影响
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IGBT: 器件CKT参数提取 器件参数化建模工具 自动拟合由参数提取工具提取的数据 器件模型
Infineon : eupec FZ600R12KE3
1200.00
Output Char. @Tj=125c
x02_Output
特征化建模工具
Vg=17V 15V 11V 09V
Curve Info Ic.I TR
1000.00
Ic.I [A]
800.00
600.00
400.00
产品用户手册
输出 Vce-Ic
200.00
0.00 0.00
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1.00
2.00
Vce.V [V]
3.00
4.00
5.00
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模型集成/未集成寄生参数结果对比
-8.25
-7.50
-2.00 47.00m
53.25
20.00
-8.25
100.00
-2.00 47.00m
44.50
100.00
20.00
0 -7.50
-2.00 47.23m
47.26m
47.27m
47.26m
48.00m
48.75m
256.00 200.00
Noise 100.00
-2.00 47.23m
47.24m
未集成寄生参数（理想模型） © 2015 ANSYS, Inc.
200.00
48.75m
NIGBT_DB1.IC
40.00
48.00m
202.00 NIGBT_DB1.VCE
NIGBT_DB1.IC
20.00
NIGBT_DB1.VCE
100.00
256.00
NIGBT_DB1.VCE
20.00
NIGBT_DB1.IC
40.00
44.50
202.00
NIGBT_DB1.VCE
NIGBT_DB1.IC
53.25
47.24m
47.27m
集成寄生参数（物理模型） 7
IGBT封装设计分析 初始设计 全铝结构
修改后的设计 修改设计1号 • 将外层材料由铝修改为铜
修改设计2号 • 保持全铝结构但增厚并修改结构
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IGBT封装结构 交流输出
初始设计 铝
直流输入
IGBT +
IGBT -
修改设计1号 铜
修改设计1号 铝/结构修改 © 2015 ANSYS, Inc.
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IGBT修改设计2号
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AC 部分电感 Modified Geometry IGBT IGBT- Sees an ~45% Change in Partial Inductance due to Skin Effect
Modified Geometry IGBT + IGBT+ Sees an ~28% Change in Partial Inductance due to Skin Effect
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With a Fully developed skin effect we see an improvement of ~6-10% in the partial inductance between design modifications
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AC 部分电阻
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DC 电流分布热点区域：100 A 48 Amps 初始设计 铝
52 Amps
48 Amps 修改设计1号 铜
52 Amps
50 Amps 修改设计1号 铝/结构修改 © 2015 ANSYS, Inc.
50 Amps 13
交流电流分布热点区域：100 MHz & 100 A 48 Amps 初始设计 铝
52 Amps
48 Amps 修改设计1号 铜
52 Amps
50 Amps 修改设计1号 铝/结构修改 © 2015 ANSYS, Inc.
50 Amps
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热设计: 系统“鲁棒性”设计必不可少因素 鲁棒性 = 高可靠性+高性能
主要由部件的温度特性和可重复周期负载决定
周期性负负载也与部件周期性操作的热应力相关
温度额定值—如案例所示
IGBT典型的额定值
温度设计的目的是要保证在设计的温度额定值下能够获得高鲁棒性 Characteristics
Symbol
Rating
Units
Maximum junction temperature, instantaneous
Tj_Max
175
oC
Maximum case temperature (below transistors)
Tc_Max
125
oC
Operating junction temperature, continuous switching and constant load
Tj_Op
-40 to 150
oC
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多物理域耦合设计 电磁场与热场分析相互依赖 外部设计必须考虑热特性对电磁特性的影响
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热特性分析 Flow speed = 2 m/s
功率单元由3 IGBT 单元封装模块组成 • IDC = 100 A 室温：T∞ = 45 oC 空气流速： 2 m/s 热源：
IGBT 发热/每单元：数据来自于用户手册 • QChip = 25 W 每单元 • 4 单元每相
25W ea IDC
IGBT功率单元： •
𝑄𝑇𝑜𝑡 = 4 × QCℎ𝑖𝑝 + 𝑄𝐽 = 100 𝑊 + 𝑄𝐽 • 𝑄𝐽 = 焦耳热 On Off © 2015 ANSYS, Inc.
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原始设计热特性
• 理想模型与简易模型仿真分析结果对比
简易热交换器: 所有3个 IGBTs封装模块由铝组成，散热速度 in 2 m/s 理想热交换器：铝冷板T∞ = 45 oC
Terms
Definition
Q Tot=Qchips + Q J Q chips QJ Q tot % Q HX %Δ T Improvement
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Heat dissipation from IGBT chips Joule heating in each IGBT package containing 8 IGBT chips Total heat load is the summation of the above 2 components Heat exchanger efficiency measured as % of total heat removed % Decrease in max temperature rise due to decrease in Joule heat at the same DC load - all comparisons with respect to Original design
焦耳热造成7-14 % 的温升
} }
焦耳热明显的增加了系统的温升
低效的热交换器明显的影响了焦 耳热的传递 18
一号与二号热设计
单元功率=“常数”
每单元模块IGBT发热: 𝑄𝑇𝑜𝑡 = 100 𝑊 + 𝑄𝐽
修改设计1号：原始设计 由铝换为铜 修改设计2号：材料为铝，同时修改模型的几何形状 1号+2号：内部封装材料替换为铜 铝散热器保持不变
修改以后的IGBT封装模块热特性
}
采用理想的散热器设计能够提供30C~40C的温度 效果提升，但是上述设计依然无法满足模型工作 特性要求，要想达到设计要求需要采用更为复杂 的设计。
总结：
修改设计2号降低了模型的焦耳热，但是： 热传导： kCu = 400 W/m.K ≈ 2 × kAl 采用两种修改 两种修改综合效果较好
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外部热设计 气流
冷却液（冷板）设计 冷却液：乙二醇 温度： 45 oC 外部气流通过冷板表面 效果较好但昂贵
乙二醇冷却液
风冷散热设计 成本较低 温度变化区域较大 需要进一步进行优化设计
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ANSYS能够解决哪些问题
仿真分析目的 = 优化整机系统性能 电性能、热性能以及EMI问题 详细的部件分析Detailed Component Analysis
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IGBT以及驱动PCB 板性能
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IGBT门极驱动PCB板 驱动板结构 2层板 P管脚驱动&近场EMI干扰源
IC隔离 C7电容 EMI 问题定位
N管脚驱动&近场EMI干扰源 © 2015 ANSYS, Inc.
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门极驱动隔离阻抗
仿真时间：32s 内存消耗：5.7 MB
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门极驱动近场EMI特性 P极驱动&近场EMI干扰源
Capacitor C7 EMI Problem Location
N极驱动&近场EMI干扰源 仿真时间：52s 内存消耗：89.5 MB © 2015 ANSYS, Inc.
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近场EMI特性评估
无源部件电路敏感度分析
电容：C7
仿真时间：29s 内存消耗：5.7MB
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EMI分析 Capacitor C7 EMI Problem Location
电容库浏览
C7 初始设计 = 100nF
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Simulation time ~ 29s RAM ~ 5.7MB
C7 优化设计= 12pF
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EMI分析 电容C7 EMI 问题定位
仿真时间：29s 内存消耗：5.7MB © 2015 ANSYS, Inc.
移除共振
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近场EMI分析
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总结 已详细的部件为基础，可利用优化设计对系统不同设计规则进行分析 EMI不止在IGBT封装内部出现，同时会引起PCB板的辐射 IGBT封装热设计是一项非常具有挑战性的工作 − 过热可能引起设备严重问题或者无法正常工作
仿真分析工具可以帮助工程师完成如下工作： − IGBT -> Q3D Extractor & Icepak − PCB -> SIwave − Cable -> 2D Extractor − Motor Design -> Maxwell − System -> Simplorer 感谢马德里大学工业中心Roberto Prieto Lopez 先生整理并提供PCB板及相关工程文件！ © 2015 ANSYS, Inc.
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