汽車動(dòng)力集成的功率逆變器系統(tǒng)中Ansoft軟件的應(yīng)用

面對高度競爭化的混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車(HEV/EV)市場，動(dòng)力集成研發(fā)工程師正在向更高的系統(tǒng)效率、穩(wěn)定性和可靠性挑戰(zhàn)。功率逆變器在動(dòng)力集成系統(tǒng)中至關(guān)重要，通常由6個(gè)4×6英寸封裝的IGBT模塊組成。這些IGBT模塊通過快速地切換數(shù)百安培電流的通斷向電動(dòng)機(jī)輸出交流電，控制電子系統(tǒng)及其它系統(tǒng)。IGBT的開關(guān)頻率從數(shù)十kHz到數(shù)百kHz，開通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間達(dá)50~100ns。

高開關(guān)速度使得IGBT非常適用于功率逆變器系統(tǒng)但是它同時(shí)也帶來兩個(gè)主要的電磁問題：傳導(dǎo)輻射(通過載流結(jié)構(gòu)件)通常低于30MHz，可能導(dǎo)致電源完整性問題或者引起對逆變器和電動(dòng)機(jī)存在潛在危害的能量反射波;輻射電磁場(通過空氣)通常高于30MHz，可能影響車上其它電子系統(tǒng)。

為符合政府及國際車輛電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，上述兩類干擾問題在設(shè)計(jì)中必須被充分考慮。因此，負(fù)責(zé)的工程師必須對系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)件的電磁兼容和電磁干擾做出設(shè)計(jì)。

為完成功率逆變器系統(tǒng)的電磁兼容和電磁干擾設(shè)計(jì)，工程師必須首先解決那些決定電磁兼容和電磁干擾的潛在物理因素，然后借助于電路和系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)。這種仿真驅(qū)動(dòng)式方法有利于處理其它必須考慮的電磁問題，包括電流品質(zhì)、功耗和系統(tǒng)整體效率。

通常采用線性電路元件和簡化電路求解器進(jìn)行這些計(jì)算需要大量粗略的近似和過度簡化的假設(shè)。跳過這些至關(guān)重要的基本物理機(jī)制的仿真，仿真結(jié)果將不再正確，在滿足性能要求之前可能需要硬件樣機(jī)測試——重新設(shè)計(jì)的多次反復(fù)。

大多數(shù)情況下，這些測試周期要到設(shè)計(jì)過程的后期才能進(jìn)行，那樣成本會(huì)嚴(yán)重增加，并錯(cuò)過市場機(jī)遇。要想在功率逆變器制造之前、在開發(fā)的早期就能夠預(yù)估電磁的影響，沒有多物理域問題的仿真是不可能的。

Ansoft軟件包提供了用于IGBT這類器件電磁性能研究的全頻域多物理問題分析工具。Ansoft軟件的專長是電磁場仿真，同時(shí)還能對電路和系統(tǒng)進(jìn)行仿真?？捎糜诠β誓孀兤鏖_發(fā)的Ansoft工具包括：

HFSS：一款基于有限元的全波求解器，可用于提取寄生參數(shù)和顯示三維電磁場。

Simplorer：一款多領(lǐng)域電路與系統(tǒng)仿真器，可以很方便的集成電氣、熱、機(jī)械、磁以及流體等多物理域仿真部件。

Q3D Extractor：一款準(zhǔn)靜態(tài)電磁場求解器，可用于計(jì)算頻變電阻、電感、電容和載流結(jié)構(gòu)件中的電導(dǎo)參數(shù)。

為了精確的描述IGBT等開關(guān)器件的性能，工程師通常從參數(shù)化的向?qū)鸩?，利用該向?qū)Э蓪?dǎo)入供應(yīng)商提供的性能單中的IGBT性能曲線和表格數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理程序會(huì)自動(dòng)提取需要的參數(shù)(大約為140個(gè))來生成IGBT的半導(dǎo)體電路模型，無需手動(dòng)完成。