仿真技术驱动混合动力车和电动汽车设计

面对高度竞争化的混合动力车和电动汽车（HEV/EV）市场，动力集成研发工程师正在向更高的系统效率、稳定性和可靠性挑战。功率逆变器在动力集成系统中至关重要，通常由6 个4英寸×6英寸封装的IGBT模块组成。这些IGBT模块通过快速地切换数百安培电流的通断向电动机输出交流电，控制电子系统及其它系统。IGBT的开关频率从数十kHz 到数百kHz，开通上升时间和关断下降时间达50~100ns。

　　高开关速度使得IGBT 非常适用于功率逆变器系统但是它同时也带来两个主要的电磁问题：传导辐射（通过载流结构件）通常低于30MHz，可能导致电源完整性问题或者引起对逆变器和电动机存在潜在危害的能量反射波；辐射电磁场（通过空气）通常高于30MHz，可能影响车上其它电子系统。

为符合政府及国际车辆电磁辐射标准，上述两类干扰问题在设计中必须被充分考虑。因此，负责的工程师必须对系统基本结构件的电磁兼容和电磁干扰做出设计。为完成功率逆变器系统的电磁兼容和电磁干扰设计，工程师必须首先解决那些决定电磁兼容和电磁干扰的潜在物理因素，然后借助于电路和系统完成设计。这种仿真驱动式方法有利于处理其它必须考虑的电磁问题，包括电流品质、功耗和系统整体效率。

　　通常采用线性电路元件和简化电路求解器进行这些计算需要大量粗略的近似和过度简化的假设。跳过这些至关重要的基本物理机制的仿真，仿真结果将不再正确，在满足性能要求之前可能需要硬件样机测试--重新设计的多次反复。大多数情况下，这些测试周期要到设计过程的后期才能进行，那样成本会严重增加，并错过市场机遇。要想在功率逆变器制造之前、在开发的早期就能够预估电磁的影响，没有多物理域问题的仿真是不可能的。

　　Ansoft 软件包提供了用于IGBT 这类器件电磁性能研究的全频域多物理问题分析工具。Ansoft软件的专长是电磁场仿真，同时还能对电路和系统进行仿真。可用于功率逆变器开发的Ansoft工具包括：

　　Simplorer：一款多领域电路与系统仿真器，可以很方便的集成电气、热、机械、磁以及流体等多物理域仿真部件。

　　Q3D Extractor：一款准静态电磁场求解器，可用于计算频变电阻、电感、电容和载流结构件中的电导参数。

　　HFSS：一款基于有限元的全波求解器，可用于提取寄生参数和显示三维电磁场。

　　为了精确的描述IGBT 等开关器件的性能，工程师通常从参数化的向导起步，利用该向导可导入供应商提供的性能单中的IGBT 性能曲线和表格数据。数据处理程序会自动提取需要的参数（大约为140 个）来生成IGBT 的半导体电路模型，无需手动完成。

然后，功率变换器的设计版图可以从CAD 软件或者版图设计工具直接导入到Q3D Extractor 工具中。Q3D Extractor 从设计版图中计算导电通路的频变电阻、部分电感和电容。然后，工程师利用该工具生成等效电路模型以备在Simplorer 中进行系统仿真。该模型一旦建成，就可以与半导体电路模型相结合构成IGBT 的电气完整性模型。电气完整性模型可以用于电源、控制系统和负载的传导辐射分析。

　　该仿真的结果可被HFSS 用于检验辐射发射--考虑到快速通断时间序列引起的频域谐波而特别关心的一种辐射。为了确定这一影响，Simplorer 的结果可作为HFSS 全波电磁求解器的输入。然后，工程师可以全面地了解其辐射电磁场，并可以计算空间任意给定点的电磁场强度，并判断逆变器封装是否符合相关标准。

　　用这种方法，工程师就可以利用Ansoft 提供的工具来设计逆变器系统的电磁兼容、电磁干扰，并由其电磁性能溯源到逆变器的版图设计。由此，对设计做出参数更改，并获得一系列仿真结果，直到传导辐射和辐射电磁发射等级在可接受的限值之内为止。这种方法的价值在于：一旦完成了模型，就可以通过改变几个关键参数对设计做出修改，这使得工程师可以研究各种不同的参数方案，并在一个宽范围内做假设分析探索。这种方法可在无需丝毫硬件制造之前提供一种满足性能要求并且完全优化的设计结果。较之样机加工--样机测试模式，多物理域仿真方法可以节省时间和金钱，并使得公司以设计更好的产品参与市场竞争。

　　作者：Scott Stanton，Ansys 公司先进技术创新部技术总监

　　Mark Ravenstahl，Ansys 公司Ansoft 产品组市场总监