Acelerando el electromagnético. módulo Diseño para máxima utilización del rendimiento del chip y mayor robustez con las últimas herramientas para enrutamiento de cables de unión y simulaciones electromagnéticas.
Creación de diseños de cables de unión utilizando CAD 3D
Aunque los sistemas CAD en 3D hoy en día están bien establecidos en el desarrollo de módulos de potencia para la creación de prototipos virtuales y la creación de la documentación del producto necesaria, los cables de unión a menudo faltan en los modelos 3D. Si bien un solo cable de enlace se puede modelar con algunos arcos y líneas, modelar un diseño de cable de enlace completo requiere mucho tiempo, ya que a menudo cada cable de enlace tiene su geometría individual. Para llenar este vacío, la primera versión del software MFis Wire fue lanzada en 2020 por MFis GmbH, una compañía que brinda servicios y herramientas de ingeniería con un enfoque en el empaquetado de electrónica de potencia.
MFis Wire proporciona una interfaz fácil de usar (ver figura 1) y agiliza el modelado 3D de alambres de unión en forma de cuña, cinta y bola. Un cable de enlace se dibuja seleccionando el punto inicial y final del cable y definiendo interactivamente su forma de bucle y la rotación del pie. Se pueden usar muchos comandos CAD como copiar, mover, reflejar, matriz para modificar uno o más cables de enlace seleccionados o puntos de enlace, por ejemplo, para ajustar el paso de una fila de cables de enlace.
Figura 1: El software MFis Wire, utilizado para diseñar el diseño del cable de enlace del módulo de potencia tipo ED
El software se ha realizado como un complemento para la potente y asequible plataforma CAD Rhino3D. Para la creación de diseños de cables de unión solo se necesitan habilidades básicas de modelado CAD. Los videos de capacitación breves que muestran el flujo de trabajo guían al usuario para crear los primeros diseños de cables en poco tiempo. Una vez que un modelo 3D está listo, se puede exportar a muchos formatos CAD estándar de la industria o convertir a un dibujo 2D con coordenadas de puntos de enlace. Dado que Rhino3D tiene potentes funciones de renderizado, las imágenes fotorrealistas de un diseño de módulo de potencia se crean con poco esfuerzo (consulte la figura 4).
Optimización de la geometría para una rápida extracción de parásitos
Una geometría de disposición de alambre de unión en 3D se puede utilizar, por ejemplo, para documentación, análisis electrotérmico de elementos finitos o extracción parasitaria. Dependiendo del uso previsto, la geometría de la sección transversal del cable debe elegirse de forma diferente. Para fines de documentación, una sección transversal circular parece más natural y tiene el tamaño de archivo más bajo.
Cuando se apunta al análisis electrotérmico de elementos finitos, solo el área de la sección transversal de un cable es relevante. La mejor opción es una sección transversal triangular con la misma área de sección transversal que el cable original, lo que hace que la geometría sea eficiente para el mallado y el cálculo y no influirá en las temperaturas y resistencias del cable de unión obtenidas como resultado del análisis de elementos finitos.
Para la extracción de parásitos, la forma de la sección transversal es relevante. Si se utiliza una sección transversal circular, el mallador del extractor parásito se aproximará a la forma redonda con varios elementos. Normalmente, se logra una mejor compensación entre el tiempo de cálculo y la precisión cuando la aproximación ya está implementada en la geometría de entrada. Se obtienen buenos resultados utilizando una sección transversal de alambre hexagonal.
El modelado de la geometría del alambre de unión y la extracción de parásitos se realizó para el módulo tipo ED con un diseño de alambre de unión que consta de 165 alambres, muchos de los cuales tienen su forma individual. Después de haber creado el diseño de cables, que conecta 661 puntos, los cables se exportaron en variantes con secciones transversales circulares y hexagonales y se procesaron con el extractor parásito Ansys Q3D. La figura 2 muestra la diferencia de malla obtenida para las variantes con secciones transversales circulares y hexagonales. Para el alambre con una sección transversal circular, el mallador coloca muchas celdas triangulares para aproximarse a la forma redonda, lo que resultó en resultados más realistas, pero necesitó 5.5 horas para converger en contraste con solo 71 minutos en el caso de la geometría con sección transversal hexagonal . Además, el consumo de memoria de 22.3 GB fue mucho mayor para cables circulares que 11.4 GB para cables hexagonales. La diferencia en la autoinducción del módulo obtenida fue solo del 0.1%.
Optimización del diseño del módulo tipo ED
Como empresa emergente, es crucial para SwissSEM Technologies AG traer sus primeros productos al mercado en alta calidad y en poco tiempo. La optimización electromagnética y térmica es esencial para un excelente rendimiento del dispositivo. El tipo ED, un estándar industrial de 17 mm de altura 62 x 152 mm Módulo IGBT, ofrece desafíos especiales para el intercambio de corriente interna entre los IGBTEsto se debe a su diseño alargado. La mayoría de los diseños clásicos sufren un desequilibrio más o menos actual entre los patatas fritas, y nuestro objetivo es lanzar un módulo con la mejor homogeneidad de corriente posible para aprovechar al máximo nuestra última generación de IGBT i20.
Con la ayuda del software MFis Wire, pudimos generar rápidamente varias variantes de diseño, incluidas variaciones en el diseño del cable de unión. Esto nos permitió simular los acoplamientos electromagnéticos de las variantes en Q3D y realizar simulaciones de conmutación con el simulador SIMetrix Spice utilizando los modelos de circuitos extraídos de Q3D. Estas simulaciones fueron la base para una mejor comprensión del dispositivo y sus acoplamientos internos. Especialmente porque ya pequeñas variaciones de la posición y la forma del cable en el rango de mm pueden tener un impacto significativo en el acoplamiento. Por tanto, una geometría simplificada, como se obtendría al utilizar la herramienta de alambre disponible en Q3D, no es suficiente. Junto con las simulaciones de transferencia de calor, se encontró un diseño optimizado. Desde el punto de vista de la resistencia térmica, ambas variantes de posicionamiento de chips ofrecen el mismo Rth. Sin embargo, el "Layout straight" ofrece más potencial para mejorar el intercambio actual en comparación con el "Layout classic", especialmente para ralentizar el IGBT # 3, que es el más cercano a la conexión del emisor de energía común (ver figura 3). Para la optimización del diseño final, se giró la posición de la puerta del IGBT # 3 y se optimizó el cableado del emisor principal y el cable de la puerta (ver figura 4). Como resultado, el desequilibrio actual se redujo del 30% del “diseño clásico” al 17% del “diseño recto optimizado”. Este es un paso significativo que mejora el equilibrio de carga dentro de los IGBT, pero también rinde en una mayor utilización segura del área de operación de los chips IGBT.
Figura 2: Malla creada por Ansys Q3D para cables de unión con secciones transversales circulares y hexagonales
Figura 3: Comparación de la distribución actual con diferentes diseños y referencias térmicas
Figura 4: Diseño recto (izquierda) - Diseño recto optimizado (derecha)
Conclusión
Las herramientas de simulación actuales para simulaciones térmicas y electromagnéticas son muy potentes, acortan el tiempo de desarrollo y mejoran significativamente la calidad de los diseños de módulos IGBT. Aún así, la entrada para las simulaciones de elementos finitos debe ser lo más precisa posible y reflejar el diseño del producto final si se quiere lograr el resultado óptimo. Especialmente para detalles complejos como enlaces de cables, las simplificaciones obvias son atractivas a primera vista debido al trabajo tedioso y lento que requiere en el CAD. Sin embargo, la precisión de los resultados sufrirá simplificaciones y no se utiliza todo el potencial de las herramientas de simulación.
Al utilizar el software MFis Wire, el tiempo se reduce significativamente para crear complejos modelos de geometría 3D de diseños de cables de unión. El uso de una sección transversal de alambre hexagonal en la geometría de entrada del extractor parásito da como resultado un cálculo cuatro veces más rápido, lo que hace posible investigar varias variantes de diseño en un solo día de trabajo. Este método utilizado en SwissSEM permitió una mejora de la distribución de corriente interna del módulo ED-Type en casi un factor de dos en comparación con los enfoques de diseño clásicos.