基于CST软件的高压绝缘栅双极晶体管模块建模和仿真.pdf

2023 年 11 月第 19 卷 第 4 期系统仿真技术System Simulation TechnologyNov.，2023Vol.19，No.4基于CST软件的高压绝缘栅双极晶体管模块建模和仿真周蒙1*，仝子岳1，周明2（1.耐世特汽车系统亚太研发中心，江苏 苏州 215026；2.达索析统（上海）信息技术有限公司，上海 200120）摘要：绝缘栅双极晶体管（Insulated gate bi-polar transistor，IGBT）是电力电子行业核心的功率器件之一，在逆变器、变频器、UPS、AC/DC电源、DC/DC电源、OBC（On board charging）充电单元及其他家电设备中被大量使用。IGBT模块在产品设计阶段，需要考虑多方面的设计指标，包括缓冲电路、驱动电路、短路保护、开关波形、杂散电感和均流特性等。本研究介绍一种基于达索SIMULIACST（以下简称CST）软件的3D建模及仿真方法，建立由 3D IGBT 模型和电路模型组成的半桥Buck电路及双脉冲电路的仿真模型。通过CST场路协同仿真可以获得精确的杂散电感、开关波形和均流波形等。IGBT数据手册和实际模型对比表明，仿真和计算结果基本一致，能够为产品的可靠设计提供指导。关键词:IGBT模块；CST；3D建模；Buck电路；杂散电感；双脉冲测试Modeling and Simulation of High Voltage IGBT Module Based on CSTZHOU Meng1*，TONG Ziyue1，ZHOU Ming2（1.Nexteer Automotive Suzhou Technology Centre，Suzhou 215026，China；2.Dassualt System（Shanghai）Information Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200120，China）Abstract：Insulated Gate Bipolar Transistor is one of the core power devices in the power electronics industry.It is widely used in inverters，frequency converters，UPS，AC/DC power supplies，DC/DC power supplies，onboard charging units and other home appliances.In the product design stage of IGBT modules，many aspects of design indicators need to be considered，including buffer circuits，drive circuits，short-circuit protection，switching waveforms，stray inductance and current sharing characteristics，etc.This article introduces a 3D modeling and simulation method based on Dassault SIMULIA CST（hereinafter referred to as CST）software to establish a simulation model of a half-bridge Buck circuit and a double-pulse circuit composed of a 3D IGBT model plus a circuit model.Through the CST field-circuit collaborative simulation method，accurate stray inductance，switching waveforms and current-sharing waveforms can be obtained.Comparison between the IGBT data sheet and the actual model the simulation and calculation results are consistent，guiding reliable product design.Key words：IGBT module；CST；3D modeling；Buck circuit；stray inductance；double pulse test绝 缘 栅 双 极 晶 体 管（Insulated gate bi-polar transistor，IGBT）是电力电子行业核心的功率器件之一，目前已经广泛应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。典型的应用设备包括逆变器、变频器、UPS、AC/DC电源、DC/DC电源、OBC（On board charging）充电单元及其他家电设备。中图分类号:TP386.2 文献标志码:A 通信作者：周蒙，E-mail:DOI:10.16812/31-1945.2023.04.007周蒙，等：基于CST软件的高压IGBT模块建模和仿真近年来，随着IGBT半导体生产工艺的不断发展，新型IGBT器件朝着更高耐压、更大电流及模块化发展。以电动汽车为例，高压快充方式受到越来越多整车原始制造商的青睐。国内外越来越多的车企推出了搭载800 V高压平台的纯电车型，基于高压SiC平台的IGBT得到越来越多的应用。充电效率提升的背后，IGBT模块在产品设计阶段技术上的挑战也越来越大。工程师需要考虑多方面的设计指标，包括缓冲电路、驱动电路、短路保护、开关波形、杂散电感、均流特性、电磁干扰噪声抑制等。工程师以往主要是借助纯电路仿真对缓冲电路、驱动电路及开关波形做出判断，这种方法由于很难获得准确的寄生参数，从而影响仿真精度。达索SIMULIA旗下的CST软件是一款专注于3D电磁场仿真，并提供电路、热及结构应力协同仿真的设计软件。CST提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法，仿真的频段从DC到GHz+。典型应用涵盖天线/雷达、电磁兼容、高速互连SI/PI、电机驱动系统、场路协同、电磁-温度及温度-形变等不同领域。借助CST强大的3D建模及仿真能力，创建完整的3D IGBT 模型，可以获得精确的寄生参数。再加上在CST电路工作室中创建的半桥Buck电路、双脉冲电路的仿真模型，获得精确的杂散电感、开关波形、均流特性等，结合IGBT数据手册和实际模型对比发现，仿真和计算结果基本一致，能够为产品的可靠设计提供指导。对器件设计厂家及IGBT用户而言，该方法有助于理解器件的内部工作机制，并为器件的设计优化提供指导。1 IGBT结构及工作原理 1.1IGBT结构IGBT模块的剖面图如图1所示，如果去掉黑色外壳及对外的连接端子，IGBT模块内部主要包含散热基板、DBC（Directed bonding copper）基板和硅芯片（包含IGBT芯片和Diode芯片）3个部件，其余的主要是焊料层和互连导线，其用途是将IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子及DBC连接起来。1.2IGBT工作原理IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管，其电路符号和简化等效电路如图 2所示。从该等效电路可以清楚地看出，IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。图2中的晶体管为PNP型晶体管，MOSFET为N沟道场效应晶体管，所以这种结构的IGBT称为N沟道IGBT，其符号为N-IGBT。类似的还有P沟道IGBT，即P-IGBT1。2 IGBT的3D建模 2.1器件寄生参数的影响IGBT作为开关器件，其引线电感、分布电容等寄生参数，对开关信号会产生较大的影响。引线电感和器件封装 bondwire走线的长度、线径、PCB走线等相关，同时引线和基板及散热板之间也会产生寄生电容。由于这些寄生参数的存在，IGBT工作时会产生较高频率的di/dt（电流变化率）和 du/dt（电压变化率），容易产生高频的电磁干扰2。IGBT结构上产生的寄生电容有两处。一是IGBT基板和散热板之间形成的寄生电容，如图3所示。二是IGBT走线与基板之间绝缘垫片产生的寄生电容3，如图4所示。图1IGBT模块的剖面示意图Fig.1Schematic cross-sectional view of IGBT module图2IGBT的电路符号与等效电路图Fig.2IGBT circuit symbol and equivalent circuit diagram图3基板和散热板之间形成的寄生电容Fig 3Parasitic capacitance formed between substrate and heat sink图4走线与基板绝缘垫片之间产生的寄生电容Fig.4Parasitic capacitance generated between the trace and the insulating pad between the substrate327系统仿真技术第 19 卷 第 4 期由于绝缘垫片介电常数较大，将产生较大的寄生电容，因此其电容值不能忽略，影响负载电流。寄生电容可以看做两极分别是 IGBT基板和铜排，中间介电常数是三氧化二铝绝缘垫片的双极性电容器。其寄生电容Cp可通过如下计算公式得到：Cp=0 r A/d其中，0是真空介电常数，数值等于8.854 21012 F/m，r为绝缘垫片相对介电常数，A为绝缘垫片和IGBT接触面积，d为基板和铜排间距离，即绝缘垫片厚度。由于铜排绝缘垫片、散热片和基板的结构并不是规则的矩形，因此通过计算不能准确得到寄生电容。但通过 CST 软件的 3D 仿真计算可以直接得到寄生参数4。2.2IGBT引脚介绍及3D建模本研究所使用的IGBT元器件型号是DP700B750T105502，根据IGBT的Datasheet所示，电路架构和引脚图如图5所示，一共有11个引脚，其中引脚1、3、6为上管的C极，引脚7为上管的G极，引脚8、9为下管的E极同时为下管的C极，引脚11为下管的G极，引脚2、10为下管的E极，另外引脚4和5是热敏电阻的两端。在建模之前，需要对IGBT模块进行拆解，溶解掉上方的非金属结构，使内部的铜线完全暴露出来，如图6所示。IGBT模块内部大量采用铜材料，其电导率=5.8107 s/m，磁导率=4107 H/m。根据IGBT的解剖图（图6）观察它的Layout，以及通过万用表测量 IGBT铜皮和铜线的通断，可以确认此IGBT模块的上桥和下桥分别为4个IGBT bare die（裸芯片）的并联，以及每一个IGBT bare die都同样并联一个 diode bare die。另外上下桥的 IGBT bare die，diode bare die，上下桥的IGBT C极和E极之间的连接均通过4根材料为铜的绑定线焊接5，如图7所示。根据实际模型测量出的IGBT bare die，diode bare die，DBC，绝缘层和基板的尺寸及其之间的间距，在CST微波工作室完成3D建模。模块一共分为6层，从上到下分别为铜层、硅片、DBC上铜层、绝缘层、DBC下铜层和基板，其材质分别为铜、硅、铜、氮化铝、铜和铜基板6，如图8所示。其中铜层和基板的铜材料设置直接调用CST材料库，绝缘材料硅和氮化铝使用自定义材料，设置好介电常数，IGBT的引脚使用PEC材料，其中PEC材料是导电率无穷大的理想导体。2.3寄生参数提取仿真CST软件提供了2种寄生参数的提取仿真方法。图5IGBT电路和引脚Fig.5IGBT circuit and pin diagram图6IGBT的解剖图Fig.6Anatomy of IGBT图7IGBT的3D模型（顶视图）Fig.73D model of IGBT(top view)图8IGBT的3D模型（侧面视图）Fig.83D model of IGBT(side view)328周蒙，等：基于CST软件的高压IGBT模块建模和仿真第一种通过CST低频工作室的Partial_RLC求解器计算获得，第二种通过CST微波工作室计算提取获得。本研究采用第二种方法，在需要提取寄生参数的模型两端设置离散端口，如图9所示，每个端口对地之间设置离散端口5。由CST微波工作室提取的IGBT baredie寄生参数如表1所示。3 IGBT Buck电路仿真 3.1Buck电路仿真3.1.1Buck电路原理通过基于IGBT模块设计的半桥Buck电路来验证该IGBT模块。Buck电路，又称降压电路，其基本特征是DC-DC转换电路。输入电流脉动，输出电流连续。Buck电路原理是通过控制开关管的导通时间来实现电压的降低7。半桥Buck电路利用电感储能和电容滤波的方式，将输入电压转换为所需的输出电压。当上管导通、下管关闭时，电感储能，此时电感上的电流增大，而输出电压维持在正常范围。当上管关闭、下管导通时，电感释放储能，电流通过下管和地面形成回路。同时电容器对电流进行滤波，使输出电压保持稳定。Buck电路的输出电压计算公式如下所示：Vout=D Vin其中，Vout是输出电压，D是占空比，Vin是输入电压。基本Buck电路拓扑结构如图10所示。3.1.2利用CST构建Buck电路的3D建模首先，将IGBT模块导入微波工作室，对于电磁仿真来说一般需要在模型的正下方建立一个0电位的导体平面，也就是公共地平面，因此在IGBT模块正下方建立一大块金属平面，材料为PEC，也就是理想导体。然后，将电路中所需要的端口和元器件模型连接起来，端口和元器件主要是电源端和负载端，都是对大地建立离散端口。驱动端对参考地建立离散端口，IGBT和diode也用离散端口设置。最后，设置电磁仿真基本参数，包括仿真频率宽度、边界条件、背景材料和求解器等。Buck电路3D建模如图11所示。3.1.3Buck电路模型的建立根据Buck电路的拓扑结构，在CST电路工作室中将各个所需的元器件模块连接在一起，如图12所示，包括上下桥的IGBT和diode、S参数模型、滤波电容、驱动端电路、负载和电源等。IGBT bare die和 diode bare die采用 IGBT厂商官网提供的Spice模型导入。图9离散端口的建立Fig.9Creation of discrete ports表1仿真提取的寄生参数Tab.1Parasitic parameters extracted by simulation.项目上管E极上管G极上管C极下管E极下管G极下管C极电感/nH7.219.914.57.319.814.5电阻/m0.1750.40.1870.5图10半桥Buck电路拓扑结构Fig.10Half-bridge Buck circuit topology图11半桥Buck电路图Fig.11Half bridge Buck circuit diagram329系统仿真技术第 19 卷 第 4 期3.1.4驱动信号及仿真模型参数确定仿真的基本输入参数：PWM 驱动信号频率为10 kHz，固定43%的占空比，死区时间为2 s。根据上述公式计算，输出电压为 172 V，设定输出电流为28.6 A。电感滤波电流取电感平均电流0.3倍，输出纹波电压不能大于输出电压的1%。电感计算公式如下所示：L=Vout(Vin-Vout)0.3 IL Vin f其中，Vout，Vin分别为输出和输入电压，IL是电感平均电流，f是驱动信号开关频率。求解得L=1 mH。输出电容计算公式如下所示：CoutVout D8 L V f2其中，Vout为输出电压，D是占空比，L是电感，V设定为最大纹波电压，f 是驱动信号开关频率。求解得Cout 62.5 uF。因此，Buck电路仿真选择电感为1 mH、输出电容为100 uF进行仿真8。3.1.5Buck电路仿真结果驱动信号如图13所示，占空比为43%。输出电压如图14所示，电压RMS值为169 V，纹波电压为1.2 V。输出电流如图15所示，电流RMS值为28.1 A。IGBT并联均流如图16和图17所示。3.2IGBT双脉冲电路仿真3.2.1双脉冲测试电路的拓扑结构双脉冲测试的意义是考量开关管在实际电路中的表现，评估开关管固有参数是否满足设计需求，如反向恢复电流、电压关断尖峰及开通关断时间7-8。双脉冲电路的拓扑结构如图 18 所示，上管两端并接一个电感。通常以半桥电路的形式测试，将上管持续关断，下管驱动信号给定2个脉冲信号，从而测试下管的开关特性。本研究主要测试下管特性及上管的反向二极管特性9。3.2.2双脉冲仿真3D建模双脉冲仿真3D建模如图19所示，通过CST微波工作室建立测试电感的 3D模型，电感线圈模型的尺寸、匝数和材料必须与实际测试线圈一致，这样才能设计出与实际线圈电感值相近的测试线圈。线圈两端分别与IGBT电源端和相极连接。本仿真本质上是一个电路仿真，不需要考虑电磁影响，因此也可以用离散端口代替，在 DS 工作室设置固定电感值来代替。3.2.3双脉冲仿真结果双脉冲实测结果如图20所示，分别为Vge驱动信号、Vds信号、母线电流。图12电路模型的建立Fig.12Establishment of circuit model图13驱动信号Fig.13The drive signal330周蒙，等：基于CST软件的高压IGBT模块建模和仿真图14输出电压和纹波电压Fig.14Output voltage and ripple voltage图15输出电流结果Fig.15Output current results图16上管各通道电流Fig.16Current in each channel of the upper tube331系统仿真技术第 19 卷 第 4 期从实测波形可知，Vds的过冲电压最大为625 V，母线电流最大电流值为1.04 kA。驱动信号Vge的Vh为15 V，Vl为5 V。脉冲宽度为8 s。脉冲的上升沿时间为2 s。在 CST的 DS工作室建立好电路模型，激励源应用电压Vh为15 V，Vl为5 V，脉宽和信号上升沿时间分别为8 s和2 s的脉冲信号。IGBT模块双脉冲仿真结果：母线电路如图21所示，最大电流为1 000 A，Vds波形如图22所示，Vds过冲电压最大值为630 V，Vge驱动信号如图23所示，脉宽上升沿时间为8 s，信号上升沿时间为2 s10。图17下管各通道电流Fig.17Current of each channel in the lower tube图18双脉冲测试电路的拓扑结构Fig.18Topology of double pulse test circuit图19双脉冲仿真3D模型Fig.19Simulation 3D model of double pulse 图20双脉冲实测结果Fig.20Actual measurement results of double pulse 图21母线电流仿真波形Fig.21Bus current simulation waveform图22Vds仿真波形Fig.22Vds simulation waveform332周蒙，等：基于CST软件的高压IGBT模块建模和仿真4 结 语 本研究阐述了 IGBT模块的内部结构、材料设置和工作原理，以及半桥Buck电路、双脉冲测试电路的拓扑结构和电路设计原理，详细论述了IGBT模块建模和仿真的过程、RLC寄生参数的提取，以及双脉冲仿真的测试原理、建模过程和仿真结果。通过CST微波工作室进行IGBT模块的3D建模，建立半桥Buck电路和双脉冲电路来进行场路结合的电路仿真。最终得到的仿真结果与实际理论计算的结果相符合，满足设计需求，验证了CST软件对IGBT建模的准确性和可靠性。由于IGBT和Diode的Spice模型来自厂商提供的官方模型，IGBT模块的各种电气参数和规格都取自实际的IGBT模块，因此更加可以说明仿真的准确性，从而为高压电驱动的CST电磁兼容性建模和仿真提供了很好的依据和参考。参考文献：1付耀龙.IGBT的分析与设计 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.FU Yaolong.Analysis and design of IGBTD.Harbin：Harbin Institute of Technology，2010.2谢琳琳.寄生参数对功率变换器主电路传导电磁干扰影响的研究 D.天津：天津理工大学，2013.XIE Linlin.Research on the influence of parasitic parameters on conducted electromagnetic interference in the main circuit of power converterD.Tianjin：Tianjin University of Technology，2013.3刘斐，毛凯翔.大功率IGBT器件的参数化建模及分析J.控制与信息技术，2023（4）：40-46.LIU Fei，MAO Kaixiang.Parametric modeling and analysis of high-power IGBT devicesJ.Control and Information Technology，2023（4）：40-46.4杨玲玲.新型 IGBT器件的设计与建模 D.厦门：厦门大学，2009.YANG Lingling.Design and modeling of new IGBT devices D Xiamen：Xiamen University，2009.5DUAN Z，FAN T，WEN X，et al.Improved SiC power MOSFET model considering nonlinear junction capacitancesJ.IEEE Transactions on Power Electronics，2018，33（3）：2509-2517.6DING Y，YANG X，LIU G，et al.Physics-based trench-gate field-stop IGBT modeling with optimization-based parameter extraction for device parametersJ.IEEE Transactions on Electron Devices，2021，68（12）：6305-6312.7赵良炳.现代电力电子技术基础 M.北京：清华大学出版社，2002.ZHAO Liangbing.Basics of modern power electronics technology M.Beijing：Tsinghua University Press，2002.8SOUZA RRD，GULES R.Modeling of a high power IGBT for a 1000A DC-DC converter used to drive diesel-electric locomotive traction motors J.IEEE，2016：1-6.9XU Y，HO C N M，GHOSH A，et al.An electrical transient model of IGBT-diode switching cell for power semiconductor loss estimation in electromagnetic transient simulationJ.IEEE Transactions on Power Electronics，2020，35（3）：2979-2989.10杨洪强.提高功率器件整体性能的研究 D.成都：电子科技大学，2003.YANG Hongqiang.Research on improving the overall performance of power devicesD.Chengdu：University of Electronic Science and Technology，2003.周 蒙 男（1987-），江苏海安人，主要研究方向为电动助力转向、电机控制器和电驱动的电磁兼容性设计、仿真和整改。仝子岳 男（1999-），河北石家庄人，主要研究方向为动力学、运动规划和控制工程。图23Vge驱动信号仿真波形Fig.23Simulation waveform of Vge driving signal333