虚拟设计与优化电力电子系统依赖于半导体芯片模型

电力电子系统的虚拟优化对于提升现代技术的性能和效率至关重要。这一过程的核心在于开发精确的半导体模型，这对于模拟电力电子转换器的开关行为、电流共享和过压特性是不可或缺的。本文概述了一种新颖的半导体建模方法，该方法结合了静态和动态表征技术以及参数拟合，从而能够创建高度精确的模型。

 

电力电子技术几乎存在于现代生活的各个方面，从消费电子到可再生能源集成和交通。这些系统的性能很大程度上取决于其功率半导体器件的能力，这些器件在确定设备的电气特性、热管理、控制复杂性和整体效率方面发挥着关键作用。

 

虚拟设计方法的兴起为优化功率模块和完整的转换器系统开辟了新的可能性，使工程师能够在投入物理原型之前探索设计变化。

 

电力模块的虚拟设计和优化取决于半导体模型的准确性。这些模型必须考虑各种因素，例如并行半导体晶圆之间的动态和静态电流共享以及不同工作点的过压条件。

 

开发优化的功率模块需要大量的设计迭代和原型测试，这将开发过程延长了相当长的时间。尽管模拟在开发中已经发挥了重要作用，但现有的工作流程没有提供半导体晶圆表征和功率模块建模之间的无缝集成，限制了完全优化电力电子系统的潜力。

 

当前虚拟设计工作流程和挑战概述

 

已经提出了几种用于优化电力电子系统的虚拟设计工作流程，所有这些工作流程都严重依赖于瞬态电气模拟来准确模拟半导体开关行为。这些模拟提供了对半导体晶圆上的电流分布和设备损耗等关键因素的深入了解，使电力模块和整个转换器的电气和热优化成为可能。

 

然而，要实现这样的模拟，需要高度精确的半导体器件模型。一些供应商提供这些模型，但必须针对每个新设计、工作点和系统配置验证其准确性。半导体器件本质上很复杂，不能完全通过简化的模型来表示，否则会牺牲准确性。虽然3D物理模型提供了最高的保真度，但它们计算量太大，不适合常规设计优化。

 

因此，紧凑的行为模型，这些模型简化了器件的内部结构，已经成为标准。尽管英飞凌科技等供应商提供了紧凑模型，但它们的准确性仅限于某些工作点，由于加密，用户无法根据特定需求修改这些模型。

 

为了解决这些挑战，与Keysight Technologies等模拟工具提供商的合作导致了模型精度改进的工具和方法。在他们的研究1中，作者展示了从两个不同供应商提取和验证IGBT和二极管模型(图1)，利用Keysight的工具，无需预先了解器件的内部结构。

图1

 

提取工作流程

 

提取IGBT和二极管模型需要通常在器件数据表中不可用的详细数据。对于IGBT，关键参数包括传输特性、集电极-发射极电压相关的输入/输出电容和反向传输电容。对于二极管，必须表征输出特性和电压相关的电容。此外，温度依赖性是这些模型中的关键因素，需要在不同的温度下进行测量。

 

本文描述的工作流程依赖于使用功率器件分析仪(Keysight B1505A)收集必要的数据，然后将数据导入Keysight的IC-CAP软件进行参数拟合。同时使用静态和动态测量，使用双脉冲测试来捕获二极管中的反向恢复和IGBT的开关特性等瞬态行为。

 

图2展示了在不同工作点(包括不同IGBT模型的输出特性、电压相关电容和开关瞬态)上，测量数据(虚线)和模型数据(实线)之间的高度一致性。

图2

 

评估标准

 

在半导体建模中，模型的准确性通常通过其预测开关损耗的能力来判断。然而，仅关注损耗可能会掩盖器件行为的其他关键方面，例如过压条件、电流共享以及寄生元件的影响。

 

研究1提出了13个不同的评估标准，以评估IGBT和二极管的瞬态模拟精度。这些标准涵盖了IGBT开关和关断事件的关键参数，以及二极管的反向恢复行为。

一些关键标准包括：

 

开关和关断期间的di/dt误差：它测量IGBT中的电流变化率，这直接影响损耗和系统可靠性

峰值集电极电流误差：它评估模型在预测开关事件期间的峰值电流的准确性，该参数受二极管反向恢复特性的影响

电压平台误差：它评估模型在开关期间电压上升的准确性，这对于理解过压行为至关重要

 

结果和误差调查

 

为了评估所提出模型的准确性，对三个IGBT模型的192个工作点进行了评估。结果表明，这些模型实现了令人满意的准确性，开关损耗的误差通常在高压工作点为±7%，在低压区域为±25%。di/dt误差在低压时为-8%，在高压时为+18%，反映了在极端条件下准确模拟瞬态行为的固有挑战。

 

为了可视化误差数据，介绍了几种方法，包括绘制误差分布和使用直方图来揭示特定范围内的误差频率。这些可视化表明，大多数工作点在设计目的的误差范围内，尽管在某些领域，如反向恢复行为和动态开关特性方面，需要改进。

 

结论和展望

 

这项工作1代表了半导体建模方面的一大进步，使开发更准确和灵活的模型成为可能，这些模型可用于电力电子系统的虚拟设计。通过结合静态和动态测量，工程师可以生成模型，这些模型允许对不同的功率模块设计和工作条件进行详细比较。

 

尽管当前的模型展示了良好的准确性，但为了实现完整的系统优化，还需要进一步的改进。特别是，需要在开关损耗、动态行为和门极驱动器配置的虚拟调整方面进行改进。