Tăng tốc điện từ mô-đun thiết kế để tận dụng tối đa hiệu suất chip và độ bền cao nhất với các công cụ mới nhất để định tuyến dây liên kết và mô phỏng điện từ.
Tạo bố cục dây trái phiếu bằng 3D CAD
Mặc dù các hệ thống CAD 3D ngày nay đã được thiết lập tốt trong việc phát triển mô-đun nguồn để tạo mẫu ảo và tạo tài liệu sản phẩm cần thiết, nhưng các dây liên kết thường bị thiếu trong các mô hình 3D. Mặc dù một dây liên kết đơn có thể được mô hình hóa bằng một số cung và đường, nhưng việc mô hình hóa toàn bộ bố cục dây liên kết tốn nhiều thời gian vì thường mỗi dây liên kết có hình dạng riêng. Để lấp đầy khoảng trống này, phiên bản đầu tiên của phần mềm MFis Wire đã được phát hành vào năm 2020 bởi MFis GmbH, một công ty cung cấp các dịch vụ và công cụ kỹ thuật tập trung vào đóng gói điện tử công suất.
MFis Wire cung cấp giao diện thân thiện với người dùng (xem hình 1) và giúp mô hình hóa 3D của dây liên kết hình nêm, dây ruy băng và quả bóng trở nên nhanh chóng. Một dây liên kết được vẽ bằng cách chọn điểm đầu và điểm cuối của dây và xác định tương tác hình dạng vòng lặp và chuyển động quay của nó. Nhiều lệnh CAD như sao chép, di chuyển, nhân bản, mảng có thể được sử dụng để sửa đổi một hoặc nhiều dây liên kết được chọn hoặc điểm liên kết, ví dụ để điều chỉnh cao độ của một hàng dây liên kết.
Hình 1: Phần mềm MFis Wire, được sử dụng để soạn thảo bố cục dây liên kết của mô-đun nguồn kiểu ED
Phần mềm đã được hiện thực hóa như một trình cắm thêm cho nền tảng CAD Rhino3D mạnh mẽ và giá cả phải chăng. Để tạo bố cục dây liên kết, chỉ cần các kỹ năng cơ bản về mô hình CAD. Các video đào tạo ngắn hiển thị quy trình làm việc hướng dẫn người dùng tạo bố cục dây đầu tiên trong thời gian ngắn. Khi mô hình 3D đã sẵn sàng, nó có thể được xuất sang nhiều định dạng CAD tiêu chuẩn của ngành hoặc chuyển đổi sang bản vẽ 2D với tọa độ điểm liên kết. Vì Rhino3D có các tính năng kết xuất mạnh mẽ, hình ảnh chân thực như ảnh của bố cục mô-đun nguồn được tạo ra với công sức thấp (xem hình 4).
Tối ưu hóa hình học để tách ký sinh trùng nhanh
Ví dụ, một hình học bố trí dây liên kết 3D có thể được sử dụng cho tài liệu, phân tích phần tử hữu hạn nhiệt điện hoặc mục đích khai thác ký sinh trùng. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, hình dạng mặt cắt ngang của dây phải được chọn khác nhau. Đối với mục đích tài liệu, mặt cắt ngang hình tròn trông tự nhiên nhất và có kích thước tệp thấp nhất.
Khi nhắm mục tiêu phân tích phần tử hữu hạn nhiệt điện, chỉ diện tích mặt cắt ngang của dây là có liên quan. Sự lựa chọn tốt nhất là mặt cắt ngang hình tam giác có cùng diện tích mặt cắt ngang với dây ban đầu, điều này làm cho hình học hiệu quả cho việc chia lưới và tính toán và sẽ không ảnh hưởng đến nhiệt độ và điện trở của dây liên kết thu được do phân tích phần tử hữu hạn.
Đối với chiết xuất ký sinh, hình dạng mặt cắt có liên quan. Nếu sử dụng mặt cắt ngang hình tròn, mắt lưới của máy hút ký sinh trùng sẽ gần đúng với hình tròn với một số phần tử. Thông thường, sự cân bằng tốt hơn giữa thời gian tính toán và độ chính xác đạt được khi giá trị gần đúng đã được thực hiện trong hình học đầu vào. Kết quả tốt thu được khi sử dụng mặt cắt dây lục giác.
Mô hình hình học dây liên kết và chiết xuất ký sinh đã được thực hiện cho mô-đun loại ED với bố trí dây liên kết bao gồm 165 dây, nhiều trong số chúng có hình dạng riêng lẻ. Sau khi tạo bố cục dây, kết nối 661 điểm, các dây được xuất theo các biến thể có mặt cắt hình tròn và hình lục giác và được xử lý bằng máy vắt ký sinh Ansys Q3D. Hình 2 cho thấy sự khác biệt về lưới thu được đối với các biến thể có mặt cắt hình tròn và hình lục giác. Đối với dây có tiết diện tròn, máy ghép lưới đặt rất nhiều ô hình tam giác để tạo ra gần đúng hình tròn, điều này cho kết quả gần đúng với thực tế nhất, nhưng cần 5.5 giờ để hội tụ trong khi chỉ 71 phút trong trường hợp hình học có tiết diện lục giác . Ngoài ra, mức tiêu thụ bộ nhớ 22.3 GB đối với dây tròn cao hơn nhiều so với 11.4 GB đối với dây lục giác. Sự khác biệt về độ tự cảm của môđun thu được chỉ là 0.1%.
Tối ưu hóa thiết kế mô-đun loại ED
Là một công ty mới nổi, điều quan trọng đối với SwissSEM Technologies AG là đưa những sản phẩm đầu tiên của mình ra thị trường với chất lượng cao và thời gian ngắn. Tối ưu hóa điện từ và nhiệt là điều cần thiết cho hiệu suất tuyệt vời của thiết bị. ED-Type, chiều cao 17 mm tiêu chuẩn ngành 62 x 152 mm Mô-đun IGBT, đưa ra những thách thức đặc biệt cho việc chia sẻ dòng điện nội bộ giữa IGBTs do thiết kế dài của nó. Hầu hết các bố cục cổ điển ít nhiều đều chịu sự mất cân bằng hiện tại giữa chipvà mục tiêu của chúng tôi là ra mắt một mô-đun có tính đồng nhất hiện tại tốt nhất có thể để tận dụng tối đa lợi ích của thế hệ IGBT i20 mới nhất của chúng tôi.
Với sự trợ giúp của phần mềm MFis Wire, chúng tôi có thể nhanh chóng tạo ra các biến thể thiết kế khác nhau bao gồm các biến thể trong bố cục dây liên kết. Điều này cho phép chúng tôi mô phỏng các khớp nối điện từ của các biến thể trong Q3D và thực hiện mô phỏng chuyển mạch với trình mô phỏng SIMetrix Spice bằng cách sử dụng các mô hình mạch được trích xuất từ Q3D. Những mô phỏng này là cơ sở để hiểu rõ hơn về thiết bị và các khớp nối bên trong của nó. Đặc biệt là những thay đổi nhỏ về vị trí và hình dạng của dây trong phạm vi mm có thể có tác động đáng kể đến khớp nối. Do đó, một hình dạng đơn giản hóa, như nó sẽ có được khi sử dụng công cụ dây có sẵn trong Q3D, là không đủ. Cùng với các mô phỏng truyền nhiệt, một bố cục được tối ưu hóa đã được tìm thấy. Từ quan điểm điện trở nhiệt, cả hai biến thể của vị trí chip đều cung cấp cùng một Rth. Tuy nhiên, “Bố cục thẳng” cung cấp nhiều tiềm năng hơn để cải thiện việc chia sẻ hiện tại so với “Bố cục cổ điển”, đặc biệt là để làm chậm IGBT # 3 gần nhất với kết nối bộ phát nguồn thông thường (xem hình 3). Để tối ưu hóa bố cục cuối cùng, vị trí cổng của IGBT # 3 đã được xoay và bố trí dây bộ phát chính và dây cổng đã được tối ưu hóa (xem hình 4). Do đó, sự mất cân bằng hiện tại đã giảm từ 30% của “Bố cục cổ điển” xuống còn 17% của “Bố cục được tối ưu hóa thẳng”. Đây là một bước quan trọng giúp cải thiện khả năng cân bằng tải trong các IGBT, nhưng cũng mang lại hiệu quả sử dụng trong khu vực hoạt động an toàn cao hơn của các chip IGBT.
Hình 2: Lưới được tạo bởi Ansys Q3D cho các dây liên kết có mặt cắt hình tròn và hình lục giác
Hình 3: So sánh chia sẻ dòng điện với các bố trí khác nhau và tham chiếu nhiệt
Hình 4: Bố cục thẳng (trái) - Bố cục thẳng được tối ưu hóa (phải)
Kết luận
Các công cụ mô phỏng ngày nay để mô phỏng nhiệt cũng như điện từ rất mạnh mẽ, rút ngắn thời gian phát triển và cải thiện đáng kể chất lượng của các thiết kế mô-đun IGBT. Tuy nhiên, đầu vào cho mô phỏng phần tử hữu hạn cần phải chính xác nhất có thể và phản ánh thiết kế sản phẩm cuối cùng nếu đạt được kết quả tối ưu. Đặc biệt đối với các chi tiết phức tạp như liên kết dây, sự đơn giản hóa rõ ràng thoạt nhìn rất hấp dẫn do công việc tốn thời gian và tẻ nhạt mà nó đòi hỏi trong CAD. Tuy nhiên, độ chính xác của kết quả sẽ bị đơn giản hóa và tiềm năng đầy đủ của các công cụ mô phỏng không được sử dụng.
Bằng cách sử dụng phần mềm MFis Wire, thời gian được rút ngắn đáng kể để tạo các mô hình hình học 3D phức tạp của bố cục dây liên kết. Sử dụng mặt cắt dây lục giác trong hình học đầu vào của máy vắt ký sinh dẫn đến tính toán nhanh hơn bốn lần, giúp bạn có thể điều tra một số biến thể bố cục trong một ngày làm việc. Phương pháp này được sử dụng tại SwissSEM, đã cho phép cải thiện khả năng chia sẻ dòng điện bên trong của mô-đun ED-Type lên gần gấp đôi so với các phương pháp thiết kế cổ điển.