为什么使用S参数进行功率模块优化更有优势？

时间： 2024-07-27 来源：贝思科尔公众号

技术问答

选型帮助

研发客服

商务客服

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。

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。

参考管脚缺失的解决方案

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。

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。

实现所需功能之前，定义一个包含两个元素的新类。在图11中，该类被称为“ Port ”。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。

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。

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20nH，或者从输入到输出的铜电阻不得超过200μΩ。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。

文章来源于：西门子官网

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 0
| 转发至：

本文由玉鹤甘茗转载自贝思科尔公众号，原文标题为:【分享】为什么使用 S 参数进行功率模块优化更有优势？，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

全部评论（0）

暂无评论

【技术】为什么单相光伏逆变器中H4桥IGBT功率模块不能用于大功率？

高频电压对寄生电容Cpv高频充放电，从而生产漏电流，严重危害人生安全，因此H4桥在单相大功率中难以胜任，推荐使用Vincotech的H6.5拓扑IGBT功率模块

技术探讨发布时间 : 2017-11-30

科普 | 碳化硅功率器件与光伏逆变器的未来

光伏发电是碳化硅器件除电动汽车以外的第二大应用领域。光伏逆变器作为光伏电站的转换设备，主要作用是将太阳电池组件产生的直流电转化为交流电。本文中SMC将为大家分析碳化硅功率器件与光伏逆变器的未来，希望对各位工程师朋友有所帮助。

技术探讨发布时间 : 2024-07-23

【技术】解析温差发电片的原理及其在可再生能源中的应用

随着全球对于可再生能源的重视程度越来越高，温差发电片TEG在可再生能源中的应用越来越受人们关注。本文中富信科技将为大家解析温差发电片TEG的原理及其在可再生能源中的应用。

技术探讨发布时间 : 2023-06-28

瓦克计划在捷克兴建新的特种有机硅生产基地，以满足电动汽车、可再生能源等领域的有机硅增长需求

瓦克化学股份有限公司扩建旗下特种有机硅业务，为此重组在欧洲的生产，计划在捷克卡罗维发利（Karlovy Vary）兴建一个新的有机硅生产基地。电动汽车、可再生能源等领域对瓦克有机硅均有需求，这些大趋势是瓦克此次扩建的主要动力。新生产基地预期可于2025年底投入生产，在初步阶段可创造多达200个工作岗位。瓦克为此共投资数亿欧元。

原厂动态发布时间 : 2024-05-16

阿基米德半导体（Archimedes）IGBT分立器件/功率模块选型指南

目录- 公司简介 TO247封装产品功率模块

型号- AMGO75B65FPH3RB,ADH040N12HT5,AMG006L12P2C3RB,ADG075N65CT5,AMG006L12P2C3RA,ADG040N65HT5,AMG225L12L1H3RB,ADH075N12MT7,AMG375L65L1S5RC,AMG150L70P2H3RA,AMG200L12L1H3RA,AMG200L12L1H3RB,AMG100L65P2H3RB,AMG225L65F2S5RC,AMG950H75H1H3RA,ADG100N12BT7,AMG100L65P2H3RA,AMG200H12S1M3RA,AMG080L12F1H3RA,ADG050N12AT7,AMG450L65P4S5RE,ADH075N65FT5,AMG450L65P4S5FC,AMG400L12P4H3RA,AMG400L12P4H3RB,AMG300H12S1M3RA,ADG075N70CT5,ADG060N65BT5,AMG450L65P4S5RD,AMG450L65P4S5RC,AMG150L12L1H3RA,ADG050N65CT5,AMG225L65P4S5RC,ADG075N65FT5,AMG300H12E1M3RA,AMG300L12P4H3RA,ADG150N65FT7,ADG075N65BT5,ADG050N65KT5,AMG820H75H1H3RA,ADG100N65FT7,AMG600H12E1M3RA,AMG450H12E1M3RB,AMG300L65F2S5RC,AMG300L65F2S5RA,AMG300L65F2S5RB,AMG600H75H1H3RA,ADG100N12MT7,AMG150L65P2H3RB,ADG075N12MT7,AMG150L65P2H3RA,AMG600H12E1M3RB,ADG040N12HT5,ADG050N12HT7,AMGO80L12F0H3RA,AMG080L12F0H3RB,AMG450L65F2S5RC,AMG450L65F2S5RB,ADG040N12AT5,ADS080N12GT8,AMG300L65P4S5RC,AMG600H12S1M3RA,AMG160L12F1H3RB,AMG160L12F1H3RA,AMG450H12E1L3RA,AMG900H12E1M3RA,AMG375L65P4S5RC,AMG600H12H1H3RA,ADS040N12GT8,AMG450H12S1M3RA,AMG160L12F2H3RB,AMG160L12F2H3RA

选型指南 - 阿基米德半导体 - 2023/8/31 PDF 中文下载

回天光伏阻水密封方案助力解决光伏系统漏电短路，极端气候退化问题 ∣视频

雨水渗透造成光伏系统漏电短路，极端气候下光伏系统退化严重。要想滴水不漏，回天光伏阻水密封解决方案，了解一下。

应用方案发布时间 : 2024-10-21

简化电动汽车充电器和光伏逆变器的高压电流检测

在电动汽车充电器中，电流传感器用于测量输入交流电源、直流/直流转换器和输出电源等位置的电流，以确认充电器是否正确地将交流电输送到电动汽车的车载充电器系统，或者将直流电直接输送到电池。如今，400V 电池正在朝着 800V 甚至更高电压的方向发展，以实现更大功率和快速充电。

设计经验发布时间 : 2023-11-23

【应用】H6.5功率模块助力单相光伏逆变器高效运行，比传统的HERIC少用一颗diode

Vincotech H6.5功率模块相比传统的HERIC少一颗diode，因此效率相对会比HERIC有所提高。选用H6.5拓扑能够抑制共模电流，同时配合不同类型的芯片能够提高产品效率和可靠性。

新应用发布时间 : 2017-12-06

光储盛典 | 优利德携UT503PV光伏绝缘电阻测试仪产品等亮相2024世界太阳能光伏暨储能产业博览会

优利德重点展出了UT219PV CAT III 1500V 真有效值交直流钳形表、UT503PV光伏绝缘电阻测试仪、UT673PV光伏组件最大功率测试仪、UT677C电池内阻测试仪、UT219P手持式谐波交流功率钳形表、UT256系列叉形电流表、UTi640J智能型红外热成像仪等系列产品，吸引了众多专业观众驻足观摩与交流。

原厂动态发布时间 : 2024-10-08

昕感科技将携SiC器件、SiC功率模块以及电源模组方案亮相2024慕尼黑上海电子展

2024年7月8号-10号，慕尼黑上海电子展将在上海新国际博览中心隆重举行。昕感科技作为大功率器件及模组解决方案IDM厂商，将携SiC器件、SiC功率模块，以及电源模组方案亮相。最新推出的1200V/7mΩ、1200V/13mΩ SiC MOSFET将会现场展出。展位号: E3馆 3166。

原厂动态发布时间 : 2024-07-05

展会回顾 | 扬杰科技2024PCIM Asia圆满收官，赋能汽车高效和可再生能源

PCIM Asia展会上，扬杰科技展示了其在IGBT、SiC和模块系列的新产品，这些产品主要服务于新能源汽车、可再生能源等领域。扬杰科技承诺将继续以技术创新为核心，推出高品质产品，成为功率半导体行业的领导者。扬杰电子科技股份有限公司是一家提供一站式半导体分立器件解决方案的IDM厂商，产品广泛应用于多个行业。

原厂动态发布时间 : 2024-09-30

【应用】三相全桥1200V SiC MOSFET智能功率模块（IPM）助力电动汽车功率转换器设计

本文讨论了在电动汽车应用的功率转换器设计中选择CISSOID的1200V三相全桥SiC MOSFET智能功率模块（IPM）体系所带来的益处，尤其表现在该体系是一个可扩展的平台系列。该体系利用了低内耗技术，提供IPM这种已整合的解决方案。

应用方案发布时间 : 2021-08-26

万可能源解决方案集监测、控制、调节系统于一体，为可再生能源并网提供支持 ∣视频

万可推出能源解决方案。万可致力于推动能源转型，远动技术集监测、控制、调节系统于一体、为可再生能源并网提供支持。

应用方案发布时间 : 2024-09-25

贝思科尔（BasiCAE）专注于为国内高科技电子及半导体等行业提供先进的电子/结构设计、仿真分析与设计数据信息化管理的解决方案和咨询服务。贝思科尔同时拥有十多项自主知识产权的软件产品，并于2016年、2019年两次被认定为“国家高新技术企业”。

授权代理商 - 深圳市世强元件网络有限公司线上商城技术资料

展开

【经验】H6.5 IGBT功率模块相比于单管IGBT寄生电感低，助力光伏并网逆变器加入“领跑者”

光伏并网逆变器要想加入“领跑者”行列，必须在整机效率上达到要求。传统单相光伏逆变器基本上采用的都是IGBT单管方案，拓扑方面基本集中在H5,H6,HERIC这三种。近年来随着户用分布式的需求，单相10kW光伏并网逆变器成为各家逆变器厂家争相推出的机型。但随着功率等级的提升，电流等级的提升，对IGBT的工作环境就有了较为严苛的要求。

设计经验发布时间 : 2018-06-26