Ускорение электромагнитного модуль конструкция для максимального использования производительности чипа и высочайшей надежности с использованием новейших инструментов для прокладки соединительных проводов и электромагнитного моделирования.
Создание макетов соединительных проводов с использованием 3D CAD
Хотя сегодня системы 3D CAD хорошо зарекомендовали себя в разработке силовых модулей для виртуального прототипирования и создания необходимой документации по продукту, соединительные провода часто отсутствуют в 3D-моделях. Хотя одинарный соединительный провод можно смоделировать с помощью некоторых дуг и линий, моделирование всей компоновки соединительного провода занимает много времени, поскольку часто каждая соединительная проволока имеет свою индивидуальную геометрию. Чтобы восполнить этот пробел, первая версия программного обеспечения MFis Wire была выпущена в 2020 году компанией MFis GmbH, предоставляющей инженерные услуги и инструменты с акцентом на корпусах силовой электроники.
MFis Wire имеет удобный интерфейс (см. Рис. 1) и позволяет быстро моделировать проволоку с клиновыми, ленточными и шариковыми соединениями в 3D. Связующая проволока рисуется путем выбора начальной и конечной точки проволоки и интерактивного определения ее формы петли и поворота опоры. Многие команды САПР, такие как копирование, перемещение, зеркальное отражение, массив, могут использоваться для изменения одной или нескольких выбранных соединительных проводов или точек соединения, например, для регулировки шага ряда соединительных проводов.
Рисунок 1: Программное обеспечение MFis Wire, используемое для разработки схемы разводки соединительных проводов силового модуля типа ED.
Программное обеспечение было реализовано как дополнительный модуль для мощной и доступной платформы САПР Rhino3D. Для создания макетов проводов требуются только базовые навыки моделирования в САПР. Короткие обучающие видеоролики, демонстрирующие рабочий процесс, помогут пользователю в короткие сроки создать первые схемы разводки. Когда 3D-модель готова, ее можно экспортировать во многие стандартные форматы САПР или преобразовать в 2D-чертеж с координатами точек привязки. Поскольку Rhino3D обладает мощными функциями рендеринга, фотореалистичные изображения компоновки силового модуля создаются без особых усилий (см. Рисунок 4).
Оптимизация геометрии для быстрого удаления паразитов
Геометрия компоновки трехмерных соединительных проводов может, например, использоваться для документирования, электротермического анализа методом конечных элементов или паразитного извлечения. В зависимости от целевого использования геометрия поперечного сечения провода должна выбираться по-разному. Для документирования круглое поперечное сечение выглядит наиболее естественно и имеет наименьший размер файла.
При проведении электротермического анализа методом конечных элементов важна только площадь поперечного сечения провода. Лучшим выбором является треугольное поперечное сечение с той же площадью поперечного сечения, что и у исходного провода, что делает геометрию эффективной для построения сетки и вычислений и не влияет на температуру и сопротивление соединительной проволоки, полученные в результате анализа методом конечных элементов.
Для паразитарной экстракции актуальна форма поперечного сечения. Если используется круглое поперечное сечение, сетка паразитного экстрактора будет приближать круглую форму с несколькими элементами. Как правило, лучший компромисс между временем вычисления и точностью достигается, когда приближение уже реализовано во входной геометрии. Хорошие результаты дает проволока с шестиугольным поперечным сечением.
Моделирование геометрии связующего провода и паразитное извлечение проводов было выполнено для модуля типа ED с компоновкой связующего провода, состоящей из 165 проводов, многие из которых имеют индивидуальную форму. После создания схемы проводов, соединяющей 661 точку, провода были экспортированы в вариантах с круглым и шестиугольным поперечным сечением и обработаны с помощью паразитного экстрактора Ansys Q3D. На рис. 2 показано различие сеток, полученных для вариантов с круглым и шестиугольным сечениями. Для провода с круглым поперечным сечением сетка помещает множество треугольных ячеек, чтобы приблизить круглую форму, что привело к наиболее реалистичным результатам, но потребовалось 5.5 часов, чтобы сойтись, по сравнению с 71 минутой в случае геометрии с шестиугольным поперечным сечением. . Кроме того, потребление памяти 22.3 ГБ было намного выше для круглых проводов, чем 11.4 ГБ для шестиугольных проводов. Разница в полученной самоиндукции модуля составила всего 0.1%.
Оптимизация конструкции модуля ED-типа
Для SwissSEM Technologies AG как развивающейся компании крайне важно вывести на рынок свои первые продукты в высоком качестве и в короткие сроки. Электромагнитная и тепловая оптимизация важны для отличной производительности устройства. ED-Type, стандартный 17 мм, высота 62 x 152 мм. Модуль IGBT, создает особые проблемы для внутреннего распределения тока между IGBTs из-за своей длинной конструкции. Большинство классических макетов страдают от более или менее текущего дисбаланса между чипсыНаша цель — выпустить модуль с максимально возможной однородностью тока, чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами нашего последнего поколения IGBT i20.
С помощью программного обеспечения MFis Wire мы смогли быстро создать различные варианты дизайна, включая варианты компоновки соединительных проводов. Это позволило нам смоделировать электромагнитные связи вариантов в Q3D и выполнить моделирование переключения с помощью симулятора SIMetrix Spice, используя извлеченные модели схем из Q3D. Это моделирование послужило основой для лучшего понимания устройства и его внутренних соединений. Тем более что и без того небольшие изменения положения и формы проволоки в миллиметровом диапазоне могут существенно повлиять на сцепление. Следовательно, упрощенной геометрии, которая может быть получена при использовании инструмента для проволоки, доступного в Q3D, недостаточно. Вместе с моделированием теплопередачи была найдена оптимизированная компоновка. С точки зрения термического сопротивления оба варианта размещения чипа имеют одинаковый Rth. Однако «прямая компоновка» предлагает больше возможностей для улучшения распределения тока по сравнению с «классической компоновкой», особенно для замедления IGBT №3, который наиболее близок к общему соединению эмиттера мощности (см. Рисунок 3). Для окончательной оптимизации компоновки положение затвора IGBT # 3 было повернуто, а схема провода главного эмиттера и затвора была оптимизирована (см. Рисунок 4). В результате текущий дисбаланс был уменьшен с 30% от «Классического макета» до 17% от «Оптимизированного макета». Это важный шаг, который улучшает балансировку нагрузки внутри IGBT, но также приводит к более безопасному использованию микросхем IGBT в рабочей области.
Рисунок 2: Сетка, созданная Ansys Q3D для соединительных проводов с круглым и шестиугольным поперечным сечением.
Рисунок 3: Сравнение распределения тока с различными схемами и тепловым эталоном
Рис. 4. Прямая компоновка (слева) - оптимизированная компоновка (справа)
Заключение
Современные средства моделирования для теплового, а также электромагнитного моделирования очень мощные, сокращают время разработки и значительно улучшают качество конструкций модулей IGBT. Тем не менее, для достижения оптимального результата входные данные для моделирования методом конечных элементов должны быть как можно более точными и отражать дизайн конечного продукта. Очевидные упрощения, особенно для сложных деталей, таких как проволочные соединения, на первый взгляд привлекательны из-за утомительной и трудоемкой работы, необходимой для этого в САПР. Однако точность результатов пострадает из-за упрощений, а весь потенциал инструментов моделирования не используется.
Использование программного обеспечения MFis Wire значительно сокращает время на создание сложных трехмерных геометрических моделей компоновок соединительных проводов. Использование гексагонального поперечного сечения провода во входной геометрии паразитного экстрактора приводит к ускорению вычислений в четыре раза, что позволяет исследовать несколько вариантов компоновки за один рабочий день. Этот метод, используемый в SwissSEM, позволил улучшить распределение внутреннего тока модуля ED-Type почти в два раза по сравнению с классическими подходами к проектированию.