CST电磁兼容性仿真——IGBT的3D建模和仿真实例分享

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本文转载自公众号CST电磁兼容性仿真，作者详细分享了IGBT的3D建模和仿真经验。

      最近发现很多小伙伴都是玩新能源高压电驱的，想让我讲一讲用CST如何建立IGBT模型。之前小编在公司也是做过两个项目关于高压电驱的CST电磁兼容性仿真，只是由于某些不可抗拒因素没法去实验室实测下EMC，所以也没法展示实测与仿真的对比，小编也是欲哭无泪，无可奈何。正所谓树欲静而风不止，子欲养而亲不在。

      之前我们讲过Mosfet可以直接在CST的3D工作室里面用离散端口建立就行了。从元器件官网上下载它的spice模型直接导入电路中去进行仿真。

      但是对于IGBT模块来说，由于IGBT模块的寄生参数之错综，模型结构之复杂，所以不能采用传统的Mosfet建模仿真的方法，必须把整个IGBT内部的3D模型建立出来。

什么是IGBT？

      所谓IGBT 其实便是绝缘栅双极晶体管的一种简称，是一种三端半导体开关的器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关的场景中。通常主要用于放大器以及一些通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。

      为了方便理解，我们可以把IGBT看作我们很熟悉的BJT和MOS管的融合体。所以，不难看出，IGBT具有BJT的输入特性和MOS管的输出特性。但是与BJT或MOS管相比，绝缘栅双极型晶体管IGBT的优势便在于它提供了一个比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的MOS管输入损耗。所以，IGBT往往有着更好的工作特性。

      就像上面说的IGBT是BJT和MOS管的融合集成体，所以IGBT的符号也代表相同。如下图所示：可以看到输入侧代表具有栅极端子的MOS管，输出侧代表具有集电极和发射极的BJT。集电极和发射极是导通端子，栅极是控制开关操作的控制端子。

IGBT的内部结构

        如图为IGBT模块的剖面图，如果去掉黑色外壳以及对外的连接端子，IGBT模块内部主要包含3个部件，散热基板、DBC基板和硅芯片(包含IGBT芯片和Diode芯片)，其余的主要是焊料层和互连导线，用途是将IGBT芯片、Diode芯片、功率端子、控制端子以及DBC连接起来，下面我们对每个部分作简单介绍：

（1）散热基板：IGBT模块最下面的就是散热基板，主要目的是把IGBT开关过程产生的热量快速传递出去。由于铜的导热效果比较好，因此基板通常是用铜制成的，基板的厚度在3-8mm。当然也有其它材料的基板，例如：碳化硅铝(AlSiC)，两者各有优劣。

（2）DBC基板：DBC (Direct Bond Copper)，全称为直接覆铜基板。DBC是一种陶瓷表面金属化技术，一共包含3层，中间为陶瓷绝缘层，上下为覆铜层。简单来讲就是在一个绝缘材料的两面覆上一层铜皮，然后在正面刻蚀出能够走电流的图形，背面要直接焊接在散热基板上，因此就不需要刻蚀了。

（3）IGBT芯片：每个IGBT模块里面都包含好几个IGBT芯片，芯片的厚度为200um。IGBT开通后，电流是从下至上流动的，因此也可以称这种结构的IGBT为纵向器件。

（4）Diode芯片：二极管的芯片的正面为阳极，背面为阴极。二极管的电流方向是从上至下的，正好与IGBT的电流方向相反。

（5） 键合线：IGBT芯片、Diode芯片以及DBC的上铜层互连一般采用键合线实现，常用的键合线有铝线和铜线两种。

   

    下面我们来看一下这个750V-680A的IGBT裸die的内部结构，具体的参数细节，规格我就不讲了，各个公司的各个型号的IGBT都不一样，可以根据自己所用的IGBT去查规格书。

      小编为了建立这个IGBT模型花了3000大洋找第三方实验室把IGBT的外壳封装用化学试剂融掉了，然后终于看清了它的庐山真面目，如图：

从这个熊样中我们可以解读到以下几点：

（1）IGBT的正负极和相极以及它们的layout

（2）一共有8个IGBT芯片，上下各四个并联

（3）一共有8个二极管芯片，上下各四个并联

（4）上下管驱动信号的layout    

（5）每一个IGBT芯片都有4个键合线并行走电流

       IGBT模块的3D建模首先跟大部分的电磁兼容性仿真3D建模一样，必须得按照1：1在CST中画出它的3D图来。

       小编一介EE出身，怎么会画3D图呢？况且小编这个人很懒，所以小编就找了我们公司的一位老师傅帮忙画，这位老师傅有着三四十年的机械设计的经验，不但技术精湛，经验丰富而且乐于助人，正所谓家有一老如有一宝，老师傅很有耐心的用游标卡尺一点一点得把尺寸量好，然后真的把IGBT模块的3D图画了出来。小编一直很尊重和感谢这位老师傅，我们的高压电驱EMC能仿出来，老师傅起码有60%的功劳。

       下面我们来欣赏下老师傅的杰作，我真的觉得这个3D图跟原物已经很像了。

       其实我们只要把绑定线，硅片，焊料层，DBC这几层建立好就行，硅片和绝缘层的介电常数一定要设置准确，这个影响分布电容的大小。当然你也可以把下面的焊料层，铜板，以及散热片加上。另外IGBT芯片和Diode芯片全部用离散端口设置，一共需要16个port，IGBT芯片Port方向从上往下，Diode芯片Port方向是由下往上。芯片模型可以去官网下载或者需要供应商提供，如果没有可以找参数差不多的代替，模型这块英飞凌比较多。驱动信号的路径一定要设置准确。

       建个简单的Buck电路来仿一下这个IGBT模块，电源电压400V，PWM驱动信号10kHz，固定45%的占空比，死区时间2us：

降压之后输出电压，RMS电压是184V：

上下管的驱动信号：

四个并行的IGBT的电流

IGBT三相桥的建模：

总结下：

      做高压电驱电磁兼容性仿真确实比低压的电机控制器工作来得繁琐，主要的工作都集中在IGBT建模，需要把IGBT模块内部的layout进行3D建模，材料，尺寸，布局，叠层，驱动信号的回路，参考地等，然后加入很多的IGBT和Diode的spice模型进行仿真，这需要足够的耐心和细心。IGBT模块很容易将3D电路画short和open，所以需要很细心，但是一旦成功建模，后续其他的项目还能复用。低压EMC仿真主要是修PCB的时候容易让人崩溃，不管怎样，这些都是一个枯燥，耐得住寂寞的工作。

       最后说一下高压滤波器设计，貌似每一个高压项目都需要定做滤波器，所以前期的滤波器设计其实蛮重要的，后续我们会着重用实例来讲解下高压滤波器的设计以及通过仿真去设计和评估滤波器的性能。