Elektromanyetiği hızlandırmak modül Bağ teli yönlendirme ve elektromanyetik simülasyonlar için en yeni araçlarla maksimum Çip performansı kullanımı ve en yüksek sağlamlık için tasarım.
3D CAD Kullanarak Bağ Teli Düzenleri Oluşturma
Her ne kadar günümüzde 3D CAD sistemleri, sanal prototipleme ve gerekli ürün dokümantasyonunu oluşturmak için güç modülü geliştirmede iyi kurulmuş olsa da, 3D modellerde bağlantı kabloları genellikle eksiktir. Tek bir bağ teli bazı yaylar ve çizgilerle modellenebilirken, bütün bir bağ teli düzeninin modellenmesi zaman alıcıdır, çünkü çoğu zaman her bir bağ teli kendi geometrisine sahiptir. Bu boşluğu doldurmak için MFis Wire yazılımının ilk sürümü, güç elektroniği paketleme odaklı mühendislik hizmetleri ve araçları sağlayan MFis GmbH tarafından 2020 yılında piyasaya sürüldü.
MFis Wire, kullanıcı dostu bir arayüz sağlar (bkz. şekil 1) ve kama, şerit ve bilyeli bağ tellerinin 3D modellemesini hızlı bir şekilde yapar. Telin başlangıç ve bitiş noktası seçilerek ve etkileşimli olarak halka şekli ve ayak dönüşü tanımlanarak bir bağ teli çizilir. Kopyalama, taşıma, yansıtma, dizileme gibi birçok CAD komutu, örneğin bir sıra bağ telinin eğimini ayarlamak için seçilen bir veya daha fazla bağ telini veya bağ noktasını değiştirmek için kullanılabilir.
Şekil 1: ED tipi güç modülünün bağlantı teli düzeninin taslağını çıkarmak için kullanılan MFis Wire yazılımı
Yazılım, güçlü ve uygun fiyatlı Rhino3D CAD platformu için bir eklenti olarak gerçekleştirildi. Bağ teli düzenlerinin oluşturulması için yalnızca temel CAD modelleme becerilerine ihtiyaç vardır. İş akışını gösteren kısa eğitim videoları, kullanıcıya kısa sürede ilk kablo düzenlerini oluşturma konusunda rehberlik eder. Bir 3D model hazır olduğunda, birçok endüstri standardı CAD formatına aktarılabilir veya bağlantı noktası koordinatlarıyla 2D çizime dönüştürülebilir. Rhino3D güçlü işleme özelliklerine sahip olduğundan, güç modülü düzeninin foto-gerçekçi görüntüleri çok az çabayla oluşturulur (bkz. şekil 4).
Hızlı Parazit Ekstraksiyonu için Geometri Optimizasyonu
Bir 3D bağ teli yerleşim geometrisi örneğin dokümantasyon, elektro-termal sonlu eleman analizi veya parazit çıkarma amaçları için kullanılabilir. Hedeflenen kullanıma bağlı olarak tel kesit geometrisinin farklı seçilmesi gerekir. Dokümantasyon amacıyla dairesel kesit en doğal görünür ve en düşük dosya boyutuna sahiptir.
Elektro-termal sonlu eleman analizini hedeflerken, yalnızca bir telin kesit alanı önemlidir. En iyi seçim, geometriyi ağ oluşturma ve hesaplama için verimli kılan ve sonlu elemanlar analizi sonucunda elde edilen bağ teli sıcaklıklarını ve dirençlerini etkilemeyen, orijinal tel ile aynı kesit alanına sahip üçgen bir kesittir.
Parazit ekstraksiyonu için kesit şekli önemlidir. Dairesel bir kesit kullanılırsa, parazit çıkarıcının mesher'ı birkaç elemanla yuvarlak şekle yaklaşacaktır. Tipik olarak, hesaplama süresi ve doğruluk arasında daha iyi bir denge, yaklaşıklığın giriş geometrisinde halihazırda uygulanması durumunda elde edilir. Altıgen tel kesiti kullanıldığında iyi sonuçlar elde edilir.
Birçoğunun kendine özgü şekli olan 165 telden oluşan bir bağ teli düzenine sahip ED tipi modül için bağ teli geometri modellemesi ve parazit çıkarma yapıldı. 661 noktayı birbirine bağlayan kablo düzeni oluşturulduktan sonra, teller dairesel ve altıgen kesitli varyantlar halinde dışa aktarıldı ve parazit çıkarıcı Ansys Q3D kullanılarak işlendi. Şekil 2, dairesel ve altıgen kesitli varyantlar için elde edilen ağ farkını göstermektedir. Dairesel kesitli tel için mesher, yuvarlak şekle yaklaşmak için çok sayıda üçgen hücre yerleştirir; bu da en gerçekçi sonuçlara yol açar, ancak altıgen kesitli geometri durumunda yalnızca 5.5 dakikaya karşılık yakınsama için 71 saat gerekiyordu. . Ayrıca dairesel kablolar için 22.3 GB'lık bellek tüketimi, altıgen kablolar için 11.4 GB'tan çok daha yüksekti. Elde edilen modülün kendi kendine endüktansındaki fark yalnızca %0.1 idi.
ED Tipi Modül Tasarım Optimizasyonu
Gelişmekte olan bir şirket olarak SwissSEM Technologies AG'nin ilk ürünlerini yüksek kalitede ve kısa sürede pazara sunması çok önemlidir. Mükemmel cihaz performansı için elektromanyetik ve termal optimizasyon şarttır. ED-Tipi, endüstri standardı 17 mm yüksekliğinde, 62 x 152 mm IGBT modülüarasında dahili akım paylaşımı için özel zorluklar sunar. IGBTuzun tasarımından kaynaklanmaktadır. Çoğu klasik düzen, devreler arasında az ya da çok akım dengesizliğinden muzdariptir. cipsHedefimiz, en yeni IGBT i20 neslimizden tam olarak faydalanabilmek için mümkün olan en iyi akım homojenliğine sahip bir modülü piyasaya sürmektir.
MFis Wire yazılımının yardımıyla bağ teli düzenindeki değişiklikler de dahil olmak üzere çeşitli tasarım çeşitlerini hızlı bir şekilde oluşturmayı başardık. Bu, Q3D'deki varyantların elektromanyetik bağlantılarını simüle etmemize ve Q3D'den çıkarılan devre modellerini kullanarak SIMetrix Spice simülatörü ile anahtarlama simülasyonları yapmamıza olanak sağladı. Bu simülasyonlar, cihazın ve dahili bağlantılarının daha iyi anlaşılmasının temelini oluşturdu. Özellikle tel konumu ve şeklinin mm aralığındaki küçük değişikliklerinin kaplin üzerinde önemli bir etkisi olabileceği göz önüne alındığında. Bu nedenle, Q3D'de bulunan tel takım kullanıldığında elde edilebilecek basitleştirilmiş bir geometri yeterli değildir. Isı transferi simülasyonlarıyla birlikte optimize edilmiş bir düzen bulundu. Termal direnç açısından bakıldığında, çip konumlandırmanın her iki çeşidi de aynı Rth'yi sunar. Bununla birlikte, "Düz Düzen", "Klasik Düzen" ile karşılaştırıldığında mevcut paylaşımı iyileştirmek, özellikle de ortak güç yayıcı bağlantısına en yakın olan IGBT #3'ü yavaşlatmak için daha fazla potansiyel sunar (bkz. şekil 3). Nihai yerleşim optimizasyonu için IGBT #3'ün geçit konumu döndürüldü ve ana emitör teli ve geçit teli düzeni optimize edildi (bkz. şekil 4). Sonuç olarak, mevcut dengesizlik "Klasik düzen"in %30'undan "Düz optimize edilmiş düzen"in %17'sine düşürüldü. Bu, IGBT'ler içindeki yük dengelemeyi geliştiren önemli bir adımdır, ancak aynı zamanda IGBT çiplerinin daha güvenli çalışma alanı kullanımını da sağlar.
Şekil 2: Dairesel ve altıgen kesitli bağ telleri için Ansys Q3D tarafından oluşturulan ağ
Şekil 3: Mevcut paylaşımın farklı düzenler ve termal referansla karşılaştırılması
Şekil 4: Düz yerleşim (sol) – Optimize edilmiş düz yerleşim (sağ)
Sonuç
Günümüzün termal ve elektromanyetik simülasyonlara yönelik simülasyon araçları çok güçlüdür, geliştirme süresini kısaltır ve IGBT modül tasarımlarının kalitesini önemli ölçüde artırır. Yine de sonlu eleman simülasyonlarına yönelik girdilerin mümkün olduğu kadar doğru olması ve optimum sonuca ulaşılması isteniyorsa nihai ürün tasarımını yansıtması gerekir. Özellikle tel bağlar gibi karmaşık ayrıntılar için, CAD'de gerektirdiği sıkıcı ve zaman alıcı çalışma nedeniyle bariz basitleştirmeler ilk bakışta çekicidir. Ancak sonuçların doğruluğu basitleştirmelerden olumsuz etkilenecektir ve simülasyon araçlarının tam potansiyeli kullanılmamaktadır.
MFis Wire yazılımının kullanılmasıyla bağ teli düzenlerinin karmaşık 3 boyutlu geometri modellerinin oluşturulması için gereken süre önemli ölçüde kısalır. Parazit çıkarıcının giriş geometrisinde altıgen tel kesitinin kullanılması, hesaplamanın dört kat daha hızlı olmasını sağlar; bu da tek bir iş gününde çeşitli düzen değişkenlerinin araştırılmasını mümkün kılar. SwissSEM'de kullanılan bu yöntem, ED-Type modülün dahili akım paylaşımında klasik tasarım yaklaşımlarına kıyasla neredeyse iki kat iyileşme sağladı.