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建模和仿真經驗。

      最近發現很多小伙伴都是玩新能源高壓電驅的，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于高壓電驅的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。從元器件官網上下載它的spice模型直接導入電路中去進行仿真。

      但是對于IGBT模塊來說，由于IGBT模塊的寄生參數之錯綜，模型結構之復雜，所以不能采用傳統的Mosfet建模仿真的方法，必須把整個IGBT內部的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，是一種三端半導體開關的器件，可用于多種電子設備中的高效快速開關的場景中。通常主要用于放大器以及一些通過脈沖寬度調制 (PWM) 切換/處理復雜的波形。

      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：可以看到輸入側代表具有柵極端子的MOS管，輸出側代表具有集電極和發射極的BJT。集電極和發射極是導通端子，柵極是控制開關操作的控制端子。

IGBT的內部結構

        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開關過程產生的熱量快速傳遞出去。由于銅的導熱效果比較好，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，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構的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，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的內部結構，具體的參數細節，規格我就不講了，各個公司的各個型號的IGBT都不一樣，可以根據自己所用的IGBT去查規格書。

      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

（3）一共有8個二極管芯片，上下各四個并聯

（4）上下管驅動信號的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計的經驗，不但技術精湛，經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一定要設置準確，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下載或者需要供應商提供，如果沒有可以找參數差不多的代替，模型這塊英飛凌比較多。驅動信號的路徑一定要設置準確。

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

降壓之后輸出電壓，RMS電壓是184V：

上下管的驅動信號：

四個并行的IGBT的電流

IGBT三相橋的建模：

總結下：

      做高壓電驅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模塊內部的layout進行3D建模，材料，尺寸，布局，疊層，驅動信號的回路，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，后續其他的項目還能復用。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計其實蠻重要的，后續我們會著重用實例來講解下高壓濾波器的設計以及通過仿真去設計和評估濾波器的性能。