CST電磁兼容性仿真——IGBT的3D建模和仿真實例分享

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本文轉(zhuǎn)載自公眾號CST電磁兼容性仿真，作者詳細分享了IGBT的3D建模和仿真經(jīng)驗。

      最近發(fā)現(xiàn)很多小伙伴都是玩新能源高壓電驅(qū)的，想讓我講一講用CST如何建立IGBT模型。之前小編在公司也是做過兩個項目關(guān)于高壓電驅(qū)的CST電磁兼容性仿真，只是由于某些不可抗拒因素沒法去實驗室實測下EMC，所以也沒法展示實測與仿真的對比，小編也是欲哭無淚，無可奈何。正所謂樹欲靜而風不止，子欲養(yǎng)而親不在。

      之前我們講過Mosfet可以直接在CST的3D工作室里面用離散端口建立就行了。從元器件官網(wǎng)上下載它的spice模型直接導(dǎo)入電路中去進行仿真。

      但是對于IGBT模塊來說，由于IGBT模塊的寄生參數(shù)之錯綜，模型結(jié)構(gòu)之復(fù)雜，所以不能采用傳統(tǒng)的Mosfet建模仿真的方法，必須把整個IGBT內(nèi)部的3D模型建立出來。

什么是IGBT？

      所謂IGBT 其實便是絕緣柵雙極晶體管的一種簡稱，是一種三端半導(dǎo)體開關(guān)的器件，可用于多種電子設(shè)備中的高效快速開關(guān)的場景中。通常主要用于放大器以及一些通過脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 切換/處理復(fù)雜的波形。

      為了方便理解，我們可以把IGBT看作我們很熟悉的BJT和MOS管的融合體。所以，不難看出，IGBT具有BJT的輸入特性和MOS管的輸出特性。但是與BJT或MOS管相比，絕緣柵雙極型晶體管IGBT的優(yōu)勢便在于它提供了一個比標準雙極型晶體管更大的功率增益，以及更高的工作電壓和更低的MOS管輸入損耗。所以，IGBT往往有著更好的工作特性。

      就像上面說的IGBT是BJT和MOS管的融合集成體，所以IGBT的符號也代表相同。如下圖所示：可以看到輸入側(cè)代表具有柵極端子的MOS管，輸出側(cè)代表具有集電極和發(fā)射極的BJT。集電極和發(fā)射極是導(dǎo)通端子，柵極是控制開關(guān)操作的控制端子。

IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        如圖為IGBT模塊的剖面圖，如果去掉黑色外殼以及對外的連接端子，IGBT模塊內(nèi)部主要包含3個部件，散熱基板、DBC基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片)，其余的主要是焊料層和互連導(dǎo)線，用途是將IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC連接起來，下面我們對每個部分作簡單介紹：

（1）散熱基板：IGBT模塊最下面的就是散熱基板，主要目的是把IGBT開關(guān)過程產(chǎn)生的熱量快速傳遞出去。由于銅的導(dǎo)熱效果比較好，因此基板通常是用銅制成的，基板的厚度在3-8mm。當然也有其它材料的基板，例如：碳化硅鋁(AlSiC)，兩者各有優(yōu)劣。

（2）DBC基板：DBC (Direct Bond Copper)，全稱為直接覆銅基板。DBC是一種陶瓷表面金屬化技術(shù)，一共包含3層，中間為陶瓷絕緣層，上下為覆銅層。簡單來講就是在一個絕緣材料的兩面覆上一層銅皮，然后在正面刻蝕出能夠走電流的圖形，背面要直接焊接在散熱基板上，因此就不需要刻蝕了。

（3）IGBT芯片：每個IGBT模塊里面都包含好幾個IGBT芯片，芯片的厚度為200um。IGBT開通后，電流是從下至上流動的，因此也可以稱這種結(jié)構(gòu)的IGBT為縱向器件。

（4）Diode芯片：二極管的芯片的正面為陽極，背面為陰極。二極管的電流方向是從上至下的，正好與IGBT的電流方向相反。

（5） 鍵合線：IGBT芯片、Diode芯片以及DBC的上銅層互連一般采用鍵合線實現(xiàn)，常用的鍵合線有鋁線和銅線兩種。

   

    下面我們來看一下這個750V-680A的IGBT裸die的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具體的參數(shù)細節(jié)，規(guī)格我就不講了，各個公司的各個型號的IGBT都不一樣，可以根據(jù)自己所用的IGBT去查規(guī)格書。

      小編為了建立這個IGBT模型花了3000大洋找第三方實驗室把IGBT的外殼封裝用化學試劑融掉了，然后終于看清了它的廬山真面目，如圖：

從這個熊樣中我們可以解讀到以下幾點：

（1）IGBT的正負極和相極以及它們的layout

（2）一共有8個IGBT芯片，上下各四個并聯(lián)

（3）一共有8個二極管芯片，上下各四個并聯(lián)

（4）上下管驅(qū)動信號的layout    

（5）每一個IGBT芯片都有4個鍵合線并行走電流

       IGBT模塊的3D建模首先跟大部分的電磁兼容性仿真3D建模一樣，必須得按照1：1在CST中畫出它的3D圖來。

       小編一介EE出身，怎么會畫3D圖呢？況且小編這個人很懶，所以小編就找了我們公司的一位老師傅幫忙畫，這位老師傅有著三四十年的機械設(shè)計的經(jīng)驗，不但技術(shù)精湛，經(jīng)驗豐富而且樂于助人，正所謂家有一老如有一寶，老師傅很有耐心的用游標卡尺一點一點得把尺寸量好，然后真的把IGBT模塊的3D圖畫了出來。小編一直很尊重和感謝這位老師傅，我們的高壓電驅(qū)EMC能仿出來，老師傅起碼有60%的功勞。

       下面我們來欣賞下老師傅的杰作，我真的覺得這個3D圖跟原物已經(jīng)很像了。

       其實我們只要把綁定線，硅片，焊料層，DBC這幾層建立好就行，硅片和絕緣層的介電常數(shù)一定要設(shè)置準確，這個影響分布電容的大小。當然你也可以把下面的焊料層，銅板，以及散熱片加上。另外IGBT芯片和Diode芯片全部用離散端口設(shè)置，一共需要16個port，IGBT芯片Port方向從上往下，Diode芯片Port方向是由下往上。芯片模型可以去官網(wǎng)下載或者需要供應(yīng)商提供，如果沒有可以找參數(shù)差不多的代替，模型這塊英飛凌比較多。驅(qū)動信號的路徑一定要設(shè)置準確。

       建個簡單的Buck電路來仿一下這個IGBT模塊，電源電壓400V，PWM驅(qū)動信號10kHz，固定45%的占空比，死區(qū)時間2us：

降壓之后輸出電壓，RMS電壓是184V：

上下管的驅(qū)動信號：

四個并行的IGBT的電流

IGBT三相橋的建模：

總結(jié)下：

      做高壓電驅(qū)電磁兼容性仿真確實比低壓的電機控制器工作來得繁瑣，主要的工作都集中在IGBT建模，需要把IGBT模塊內(nèi)部的layout進行3D建模，材料，尺寸，布局，疊層，驅(qū)動信號的回路，參考地等，然后加入很多的IGBT和Diode的spice模型進行仿真，這需要足夠的耐心和細心。IGBT模塊很容易將3D電路畫short和open，所以需要很細心，但是一旦成功建模，后續(xù)其他的項目還能復(fù)用。低壓EMC仿真主要是修PCB的時候容易讓人崩潰，不管怎樣，這些都是一個枯燥，耐得住寂寞的工作。

       最后說一下高壓濾波器設(shè)計，貌似每一個高壓項目都需要定做濾波器，所以前期的濾波器設(shè)計其實蠻重要的，后續(xù)我們會著重用實例來講解下高壓濾波器的設(shè)計以及通過仿真去設(shè)計和評估濾波器的性能。