最近發(fā)現(xiàn)很多小伙伴都是玩新能源高壓電驅(qū)的,想讓我講一講用CST如何建立IGBT模型。之前小編在公司也是做過兩個(gè)項(xiàng)目關(guān)于高壓電驅(qū)的CST電磁兼容性仿真,只是由于某些不可抗拒因素沒法去實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)下EMC,所以也沒法展示實(shí)測(cè)與仿真的對(duì)比,小編也是欲哭無淚,無可奈何。
之前我們講過Mosfet可以直接在CST的3D工作室里面用離散端口建立就行了。從元器件官網(wǎng)上下載它的spice模型直接導(dǎo)入電路中去進(jìn)行仿真。
但是對(duì)于IGBT模塊來說,由于IGBT模塊的寄生參數(shù)之錯(cuò)綜,模型結(jié)構(gòu)之復(fù)雜,所以不能采用傳統(tǒng)的Mosfet建模仿真的方法,必須把整個(gè)IGBT內(nèi)部的3D模型建立出來。
什么是IGBT?
所謂IGBT 其實(shí)便是絕緣柵雙極晶體管的一種簡稱,是一種三端半導(dǎo)體開關(guān)的器件,可用于多種電子設(shè)備中的高效快速開關(guān)的場(chǎng)景中。通常主要用于放大器以及一些通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 切換/處理復(fù)雜的波形。
為了方便理解,我們可以把IGBT看作我們很熟悉的BJT和MOS管的融合體。所以,不難看出,IGBT具有BJT的輸入特性和MOS管的輸出特性。但是與BJT或MOS管相比,絕緣柵雙極型晶體管IGBT的優(yōu)勢(shì)便在于它提供了一個(gè)比標(biāo)準(zhǔn)雙極型晶體管更大的功率增益,以及更高的工作電壓和更低的MOS管輸入損耗。所以,IGBT往往有著更好的工作特性。
就像上面說的IGBT是BJT和MOS管的融合集成體,所以IGBT的符號(hào)也代表相同。如下圖所示:可以看到輸入側(cè)代表具有柵極端子的MOS管,輸出側(cè)代表具有集電極和發(fā)射極的BJT。集電極和發(fā)射極是導(dǎo)通端子,柵極是控制開關(guān)操作的控制端子。
IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
如圖為IGBT模塊的剖面圖,如果去掉黑色外殼以及對(duì)外的連接端子,IGBT模塊內(nèi)部主要包含3個(gè)部件,散熱基板、DBC基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片),其余的主要是焊料層和互連導(dǎo)線,用途是將IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC連接起來,下面我們對(duì)每個(gè)部分作簡單介紹:
(1)散熱基板:IGBT模塊最下面的就是散熱基板,主要目的是把IGBT開關(guān)過程產(chǎn)生的熱量快速傳遞出去。由于銅的導(dǎo)熱效果比較好,因此基板通常是用銅制成的,基板的厚度在3-8mm。當(dāng)然也有其它材料的基板,例如:碳化硅鋁(AlSiC),兩者各有優(yōu)劣。
(2)DBC基板:DBC (Direct Bond Copper),全稱為直接覆銅基板。DBC是一種陶瓷表面金屬化技術(shù),一共包含3層,中間為陶瓷絕緣層,上下為覆銅層。簡單來講就是在一個(gè)絕緣材料的兩面覆上一層銅皮,然后在正面刻蝕出能夠走電流的圖形,背面要直接焊接在散熱基板上,因此就不需要刻蝕了。
(3)IGBT芯片:每個(gè)IGBT模塊里面都包含好幾個(gè)IGBT芯片,芯片的厚度為200um。IGBT開通后,電流是從下至上流動(dòng)的,因此也可以稱這種結(jié)構(gòu)的IGBT為縱向器件。
(4)Diode芯片:二極管的芯片的正面為陽極,背面為陰極。二極管的電流方向是從上至下的,正好與IGBT的電流方向相反。
(5) 鍵合線:IGBT芯片、Diode芯片以及DBC的上銅層互連一般采用鍵合線實(shí)現(xiàn),常用的鍵合線有鋁線和銅線兩種。
下面我們來看一下這個(gè)750V-680A的IGBT裸die的內(nèi)部結(jié)構(gòu),具體的參數(shù)細(xì)節(jié),規(guī)格我就不講了,各個(gè)公司的各個(gè)型號(hào)的IGBT都不一樣,可以根據(jù)自己所用的IGBT去查規(guī)格書。
小編為了建立這個(gè)IGBT模型花了3000大洋找第三方實(shí)驗(yàn)室把IGBT的外殼封裝用化學(xué)試劑融掉了,然后終于看清了它的廬山真面目,如圖:
從這個(gè)熊樣中我們可以解讀到以下幾點(diǎn):
(1)IGBT的正負(fù)極和相極以及它們的layout
(2)一共有8個(gè)IGBT芯片,上下各四個(gè)并聯(lián)
(3)一共有8個(gè)二極管芯片,上下各四個(gè)并聯(lián)
(4)上下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的layout
(5)每一個(gè)IGBT芯片都有4個(gè)鍵合線并行走電流
IGBT模塊的3D建模首先跟大部分的電磁兼容性仿真3D建模一樣,必須得按照1:1在CST中畫出它的3D圖來。
小編一介EE出身,怎么會(huì)畫3D圖呢?況且小編這個(gè)人很懶,所以小編就找了我們公司的一位老師傅幫忙畫,這位老師傅有著三四十年的機(jī)械設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),不但技術(shù)精湛,經(jīng)驗(yàn)豐富而且樂于助人,正所謂家有一老如有一寶,老師傅很有耐心的用游標(biāo)卡尺一點(diǎn)一點(diǎn)得把尺寸量好,然后真的把IGBT模塊的3D圖畫了出來。小編一直很尊重和感謝這位老師傅,我們的高壓電驅(qū)EMC能仿出來,老師傅起碼有60%的功勞。
下面我們來欣賞下老師傅的杰作,我真的覺得這個(gè)3D圖跟原物已經(jīng)很像了。
其實(shí)我們只要把綁定線,硅片,焊料層,DBC這幾層建立好就行,硅片和絕緣層的介電常數(shù)一定要設(shè)置準(zhǔn)確,這個(gè)影響分布電容的大小。當(dāng)然你也可以把下面的焊料層,銅板,以及散熱片加上。另外IGBT芯片和Diode芯片全部用離散端口設(shè)置,一共需要16個(gè)port,IGBT芯片Port方向從上往下,Diode芯片Port方向是由下往上。芯片模型可以去官網(wǎng)下載或者需要供應(yīng)商提供,如果沒有可以找參數(shù)差不多的代替,模型這塊英飛凌比較多。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的路徑一定要設(shè)置準(zhǔn)確。
建個(gè)簡單的Buck電路來仿一下這個(gè)IGBT模塊,電源電壓400V,PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)10kHz,固定45%的占空比,死區(qū)時(shí)間2us:
降壓之后輸出電壓,RMS電壓是184V:
上下管的驅(qū)動(dòng)信號(hào):
四個(gè)并行的IGBT的電流
IGBT三相橋的建模:
總結(jié)
做高壓電驅(qū)電磁兼容性仿真確實(shí)比低壓的電機(jī)控制器工作來的繁瑣,主要的工作都集中在IGBT建模,需要把IGBT模塊內(nèi)部的layout進(jìn)行3D建模,材料,尺寸,布局,疊層,驅(qū)動(dòng)信號(hào)的回路,參考地等,然后加入很多的IGBT和Diode的spice模型進(jìn)行仿真,這需要足夠的耐心和細(xì)心。IGBT模塊很容易將3D電路畫short和open,所以需要很細(xì)心,但是一旦成功建模,后續(xù)其他的項(xiàng)目還能復(fù)用。低壓EMC仿真主要是修PCB的時(shí)候容易讓人崩潰,不管怎樣,這些都是一個(gè)枯燥,耐得住寂寞的工作。
最后說一下高壓濾波器設(shè)計(jì),貌似每一個(gè)高壓項(xiàng)目都需要訂做濾波器,所以前期的濾波器設(shè)計(jì)其實(shí)蠻重要的,后續(xù)我們會(huì)著重用實(shí)例來講解下高壓濾波器的設(shè)計(jì)以及通過仿真去設(shè)計(jì)和評(píng)估濾波器的性能。
(內(nèi)容、圖片來源:CST電磁兼容性仿真,侵刪)
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