仿真技術(shù)驅(qū)動混合動力車和電動汽車設(shè)計

    面對高度競爭化的混合動力車和電動汽車（HEV/EV）市場，動力集成研發(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)。功率逆變器在動力集成系統(tǒng)中至關(guān)重要，通常由6 個4英寸×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，開通上升時間和關(guān)斷下降時間達(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)但是它同時也帶來兩個主要的電磁問題：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。為完成功率逆變器系統(tǒng)的電磁兼容和電磁干擾設(shè)計，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。這種仿真驅(qū)動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)計的多次反復(fù)。大多數(shù)情況下，這些測試周期要到設(shè)計過程的后期才能進(jìn)行，那樣成本會嚴(yán)重增加，并錯過市場機(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，同時還能對電路和系統(tǒng)進(jìn)行仿真。可用于功率逆變器開發(fā)的Ansoft工具包括： 

    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)。 

    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。 

    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)�起步，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)處理程序會自動提取需要的參數(shù)（大約為140 個）來生成IGBT 的半導(dǎo)體電路模型，無需手動完成。