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为什么使用 S 参数进行功率模块优化更有优势?

贝思科尔 2024-06-12 08:35 次阅读

功率模块是一种采用绝缘栅双极性晶体管 (IGBT) 或金属氧化物半导体场效应晶体管作为开关元件的高功率开关电路,广泛应用于电动汽车、可再生能源、光伏、风能和众多其他应用。

功率模块 S 参数应用基础

在全面深入探讨 S 参数之前,需要对功率模块有一个基本认识。在大多数情况下,功率模块由单一铜层紧贴在陶瓷基底上构成。这种简单结构缺少返回路径或参考,无法利用微带传输线对功率模块建模,如图 3 所示。

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图 3. 微带线和周围的电磁场

鉴于以上原因,目前最常用的功率模块仿真和描述方法是 RLCG 参数提取。这类提取方法广泛用于 IC上封装寄生效应的提取。微带线的等效电路如图 4所示。

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图 4. 微带线 RLCG 模型的直通表示

参考管脚缺失的解决方案

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图 6. 标示了端口的功率模块 PI2000,西门子 EDA

该解决方案以图 6 中的正电源电压(称为 VPP 网络)为例进行演示。对于 S 参数和后来使用的 RLCG矩阵的仿真,我们采用 HyperLynx 高级解析器,如Fast 3D 和混合解析器。

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VPP 网络的详细端口定义


S 参数在电路仿真中的优点是不需要转换成 SPICE 网表。与 RLGC 相比,它不仅能表示主对角线,还能提供完整的 S 矩阵。这对于流程自动化很重要,因为不再需要对电流路径有详细了解,而选择参考管脚则需要这些信息。要在 Xpedition AMS 中使用 S 参数,必须生成SPICE 封装器文件。


全自动 SPICE 封装器转换

转换 S 参数封装器,这些步骤现在可以用代码实现,有多种方法可以选择。若要直接集成到西门子功率模块设计套件中,建议使用

Xpedition VB.Net。VB.Net 是一种灵活、基于对象、功能强大的编程语言,适合开发基于 COM API 的定制功能,例如 Xpedition。

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图 11. VB.Net 功率模块 S 参数合并程序。

实现所需功能之前,定义一个包含两个元素的新类 。在 图 1 1 中 , 该 类 被 称 为 “ P o r t ” 。此 类 有 两个元素:一个信号端口和一个参考端口。这种技术有助于使用 VB.Net 嵌入式列表函数。如果忽略 用 户 界 面 部 分 , 该 实 现 方 案 包 含 四 个 函 数 :Get Ports from S-Parameter(从 S 参数获取端口)、Add Sub-Circuit Pins(添加子电路管脚)、Merge Reference Pins(合并参考管脚)和 Write Wrapper-File(写入封装器文件)。“Get Ports from S-Parameter”函数对从用户界面传递过来的 S 参数文件进行解析,所有端口对都存储在“Port”类的列表中。这种字典格式是必不可少的,因为可能存在多个网络和参考管脚。有了完整的端口信息后,“Add Sub-Circuit Pins”函数会添加缺失的子电路管脚,如从电路 2 转换到电路 3 时第 4 行所示。对于此函数,VB.Net 有一个名为“Distinct”的过滤器函数可用。应用该过滤器函数可避免子电路头信息中出现重复管脚。图 11 中的“Merge Reference Pins”函数将电路 2 第 12 行中的所有 0 替换为正确的参考管脚。合并过程结束时会生成一个新的封装器文件,该文件可以直接使用,无需手动修改。

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图 12. 功率模块 S 参数合并程序的用户界面

简便易用的用户界面只有两个按钮,一个用于浏览 SPICE 封装器文件,另一个按钮名为“Merge”(合并),用于启动全自动合并过程。该应用程序可以直接嵌入到 Xpedition 中,以便工程师无缝集成整个功率模块验证过程。


功能测试

功能测试采用图 6 (前文)所示的整个功率模块进行。为此,我们在 Xpedition AMS 中配置了完整的 SPICE仿真。

功能测试证明,S 参数封装器能够正确地自动生成。表 4 显示,开关精度获得了巨大提升,性能增强大约 20 倍。该结果对于功率模块的整体全自动优化至关重要。

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表 4. 仿真总结


S 参数合规性检查和优化

本文的工作使得 S 参数应用于时域仿真成为可能。然而,表 4 显示,使用 S 参数进行仿真所需的时间仍要比没有任何电路板或基底寄生效应的仿真长十倍。因此,建议在开展功能仿真之前先进行 S 参数合规性检查。这种合规性检查对于功率模块并不存在,但可以借鉴高速 SERDES 分析 [7] 使用的方法。对于 SERDES 接口,合规性检查验证电路板是否符合特定标准,如 PCIe 4.0。它不是进行全时域分析,而是一切都用 S 参数建模,并与最坏情况进行比较,看是否满足标准要求。功率模块没有这些要求。根据功率模块的性能数据,可以提取典型值作为集总值,例如:杂散电感不得超过 20 nH,或者从输入到输出的铜电阻不得超过 200 μΩ。这些值是针对通过一个 IGBT 的单条电流路径的,可以通过并联切换多个 IGBT 来降低。

结语

为了实现功率模块的全自动整体优化,依赖单一数据源至关重要。以前使用集总寄生效应作为 SPICE 子电路来对功率模块进行时域功能仿真。主要原因是缺少参考平面或回流电流结构。

本文的工作使得 S 参数应用于时域分析成为可能,说明了电子领域的未来优化方法可以分两步执行:第一步,将功率模块 S 参数与

参考 S 参数进行比较;第二步,使用同一 S 参数集执行仿真并分析瞬态时域行为。目前还没有关于使用 S 参数描述功率模块的行业标准。

因此,参考参数是根据杂散电感和电阻的典型要求生成的。这让工程师或优化算法很容易分析是否所有仿真参数都在高置信度区域。第一步中的验证方法是从高速 SERDES 分析借用的,称为合规性检查。主要优点是可以使用同一 S 参数集来执行时域仿真。这保证了数据完整性,并且全自动过程不会试图修复或优化由 RLCG 矩阵转换为 SPICE 网表所引起的问题,如上所述。本文表明,通过 VB.Net 应用程序,很容易将该解决方案整合到工程师的工作环境中。这一点以及其他便利,例如所有西门子 EDA 产品都有 API 可用,让我们能够开发完整的优化方案。


并非所有可能性(如布局可能性或铜结构可能性)都适合用来优化功率模块,实现同等的静态和动态损耗(这对于实现相似的热行为至关重要)。这就是为什么必须进一步研究和记录单参数变化。未来,这些参数也不再局限于时域和频域,还要在热领域和力学领域进行分析。一个例子是热阻和热应力。未来的研究将最终形成一套规则,以便能够通过设计规则检查来验证这些规则。在优化过程开始之前,这套规则确保有一个良好的切入点,并能够优化并缩短获取结果的时间。


这样,我们就能提供设计方法和解决方案,以满足未来对新型高效功率模块的巨大需求。

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