前言

近年来随着智能电网、电动汽车、高速铁路、家电产品、工业控制和风力、光伏发电等领域的快速发展，IGBT器件市场需求不断扩大。国内庞大的市场基础、 潜在的电力电子装备关键器件完全依靠进口的风险和国家产业升级共同推动了本土IGBT芯片设计、模块封装的技术进步和创新。

针对国内外IGBT封装设计的技术需求，Ansys提出了全面的设计解决方案，以Workbench为电磁、热、结构、流体多物理域耦合设计平台，以Simplorer为器件特征化建模、开关特性测试、变流电路设计及传导干扰分析平台，通过单/双向的多物理域耦合技术和鲁棒性设计，器件与系统的降价模型和协同仿真接口，高效解决IGBT封装设计所面临的、多物理域耦合设计和高精度器件与电路、系统设计问题。

解决方案说明

欲探讨IGBT功率模块的解决方案,  需要了解包含封装的IGBT特性、 直流电流分布、 电流开关的功率损耗、功率损耗确定环境电磁场如图一所示。

利用Ansys软件即可分析IGBT封装模型与电磁特性研究、寄生参数抽取、建立IGBT电路模型、电磁场的远场特性分析,  如图二所示。

图二、利用Ansys软件计算出IGBT模块的电磁分析

图三是Ansys Maxwell软件计算出来的电流特性，软件采用FEM(有限元)算法, 对电磁场梯度大的地方多布些网格作自适应网格剖分, 在图三中可以观察到电流密度仿真结果,  电流密度相差2到3个梯度,  进而可以观察到电流分布的特性来判断是否要在布局(Layout)上作设计上的优化与改善。

图三、利用Ansys软件计算出IGBT模块的电磁特性分析

由于IGBT器件主要是分析电源开关在每次开通/关断的时域波形,  Ansys软件可以在Simplorer上作系统级的建模,  进而分析IGBT开关在非常小的时间步 (hmin = 10ps)的开通/关断的时域波形,  进而判断波形是否正常由图四所示。

图四、利用Ansys Simplorer软件计算出IGBT模块的时域波形

图五是考虑了RLCG寄生参数的输出波形,  随着频率越来越高会产生集肤效应(skineffect),  在Ansys Q3D软件可以抽取寄生参数,  将抽取出的寄生参数在放到Simplorer系统及仿真即可观察有无寄生参数的输出波形上的差异,  从图五中可以发现加入寄生参数的波形会产生过冲与震荡,  这才是真实的波形结果。

图五、考虑了RLCG寄生参数的输出波形

结论

Ansys Workbench为Ansys软件针对多重物理耦合所开发之平台，在此平台上可同时考虑多个物理场现象，如图六与图七所示。在图六为电—热耦合计算,  可以分析出三个不同打线模型的温度,  从图中可以发现温度差异并不大。在图七为热—结构耦合计算, 应力受接触面积和键合线弯曲程度的影响。可以发现接触面积越小，产生的应力越大、 焊线的弯曲度越高，应力就越大。Ansys软件可以在设计前期做可靠性分析,  在此Ansys提供了完整的解决办法,  都能够在Ansys多重物理场耦合的平台内分析。

图六、Ansys Workbench平台将热源导入AnsysMechanical

图七、Ansys Workbench平台将热源导入Ansys Mechanical

编辑：黄飞