為什么使用 S 參數(shù)進(jìn)行功率模塊優(yōu)化更有優(yōu)勢？

功率模塊是一種采用絕緣柵雙極性晶體管 (IGBT) 或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管作為開關(guān)元件的高功率開關(guān)電路，廣泛應(yīng)用于電動汽車、可再生能源、光伏、風(fēng)能和眾多其他應(yīng)用。

功率模塊 S 參數(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

在全面深入探討 S 參數(shù)之前，需要對功率模塊有一個基本認(rèn)識。在大多數(shù)情況下，功率模塊由單一銅層緊貼在陶瓷基底上構(gòu)成。這種簡單結(jié)構(gòu)缺少返回路徑或參考，無法利用微帶傳輸線對功率模塊建模，如圖 3 所示。

圖 3. 微帶線和周圍的電磁場

鑒于以上原因，目前最常用的功率模塊仿真和描述方法是 RLCG 參數(shù)提取。這類提取方法廣泛用于 IC上封裝寄生效應(yīng)的提取。微帶線的等效電路如圖 4所示。

圖 4. 微帶線 RLCG 模型的直通表示

參考管腳缺失的解決方案

圖 6. 標(biāo)示了端口的功率模塊 PI2000，西門子 EDA。

該解決方案以圖 6 中的正電源電壓（稱為 VPP 網(wǎng)絡(luò)）為例進(jìn)行演示。對于 S 參數(shù)和后來使用的 RLCG矩陣的仿真，我們采用 HyperLynx 高級解析器，如Fast 3D 和混合解析器。

VPP 網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)端口定義

S 參數(shù)在電路仿真中的優(yōu)點是不需要轉(zhuǎn)換成 SPICE 網(wǎng)表。與 RLGC 相比，它不僅能表示主對角線，還能提供完整的 S 矩陣。這對于流程自動化很重要，因為不再需要對電流路徑有詳細(xì)了解，而選擇參考管腳則需要這些信息。要在 Xpedition AMS 中使用 S 參數(shù)，必須生成SPICE 封裝器文件。

全自動 SPICE 封裝器轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換 S 參數(shù)封裝器，這些步驟現(xiàn)在可以用代碼實現(xiàn)，有多種方法可以選擇。若要直接集成到西門子功率模塊設(shè)計套件中，建議使用

Xpedition VB.Net。VB.Net 是一種靈活、基于對象、功能強大的編程語言，適合開發(fā)基于 COM API 的定制功能，例如 Xpedition。

圖 11. VB.Net 功率模塊 S 參數(shù)合并程序。

實現(xiàn)所需功能之前，定義一個包含兩個元素的新類 。在 圖 1 1 中 ， 該 類 被 稱 為 “ P o r t ” 。此 類 有 兩個元素：一個信號端口和一個參考端口。這種技術(shù)有助于使用 VB.Net 嵌入式列表函數(shù)。如果忽略 用 戶 界 面 部 分 ， 該 實 現(xiàn) 方 案 包 含 四 個 函 數(shù) ：Get Ports from S-Parameter（從 S 參數(shù)獲取端口）、Add Sub-Circuit Pins（添加子電路管腳）、Merge Reference Pins（合并參考管腳）和 Write Wrapper-File（寫入封裝器文件）。“Get Ports from S-Parameter”函數(shù)對從用戶界面?zhèn)鬟f過來的 S 參數(shù)文件進(jìn)行解析，所有端口對都存儲在“Port”類的列表中。這種字典格式是必不可少的，因為可能存在多個網(wǎng)絡(luò)和參考管腳。有了完整的端口信息后，“Add Sub-Circuit Pins”函數(shù)會添加缺失的子電路管腳，如從電路 2 轉(zhuǎn)換到電路 3 時第 4 行所示。對于此函數(shù)，VB.Net 有一個名為“Distinct”的過濾器函數(shù)可用。應(yīng)用該過濾器函數(shù)可避免子電路頭信息中出現(xiàn)重復(fù)管腳。圖 11 中的“Merge Reference Pins”函數(shù)將電路 2 第 12 行中的所有 0 替換為正確的參考管腳。合并過程結(jié)束時會生成一個新的封裝器文件，該文件可以直接使用，無需手動修改。

圖 12. 功率模塊 S 參數(shù)合并程序的用戶界面。

簡便易用的用戶界面只有兩個按鈕，一個用于瀏覽 SPICE 封裝器文件，另一個按鈕名為“Merge”（合并），用于啟動全自動合并過程。該應(yīng)用程序可以直接嵌入到 Xpedition 中，以便工程師無縫集成整個功率模塊驗證過程。

功能測試

功能測試采用圖 6 （前文）所示的整個功率模塊進(jìn)行。為此，我們在 Xpedition AMS 中配置了完整的 SPICE仿真。

功能測試證明，S 參數(shù)封裝器能夠正確地自動生成。表 4 顯示，開關(guān)精度獲得了巨大提升，性能增強大約 20 倍。該結(jié)果對于功率模塊的整體全自動優(yōu)化至關(guān)重要。

表 4. 仿真總結(jié)

S 參數(shù)合規(guī)性檢查和優(yōu)化

本文的工作使得 S 參數(shù)應(yīng)用于時域仿真成為可能。然而，表 4 顯示，使用 S 參數(shù)進(jìn)行仿真所需的時間仍要比沒有任何電路板或基底寄生效應(yīng)的仿真長十倍。因此，建議在開展功能仿真之前先進(jìn)行 S 參數(shù)合規(guī)性檢查。這種合規(guī)性檢查對于功率模塊并不存在，但可以借鑒高速 SERDES 分析 [7] 使用的方法。對于 SERDES 接口，合規(guī)性檢查驗證電路板是否符合特定標(biāo)準(zhǔn)，如 PCIe 4.0。它不是進(jìn)行全時域分析，而是一切都用 S 參數(shù)建模，并與最壞情況進(jìn)行比較，看是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。功率模塊沒有這些要求。根據(jù)功率模塊的性能數(shù)據(jù)，可以提取典型值作為集總值，例如：雜散電感不得超過 20 nH，或者從輸入到輸出的銅電阻不得超過 200 μΩ。這些值是針對通過一個 IGBT 的單條電流路徑的，可以通過并聯(lián)切換多個 IGBT 來降低。

結(jié)語

為了實現(xiàn)功率模塊的全自動整體優(yōu)化，依賴單一數(shù)據(jù)源至關(guān)重要。以前使用集總寄生效應(yīng)作為 SPICE 子電路來對功率模塊進(jìn)行時域功能仿真。主要原因是缺少參考平面或回流電流結(jié)構(gòu)。

本文的工作使得 S 參數(shù)應(yīng)用于時域分析成為可能，說明了電子領(lǐng)域的未來優(yōu)化方法可以分兩步執(zhí)行：第一步，將功率模塊 S 參數(shù)與

參考 S 參數(shù)進(jìn)行比較；第二步，使用同一 S 參數(shù)集執(zhí)行仿真并分析瞬態(tài)時域行為。目前還沒有關(guān)于使用 S 參數(shù)描述功率模塊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

因此，參考參數(shù)是根據(jù)雜散電感和電阻的典型要求生成的。這讓工程師或優(yōu)化算法很容易分析是否所有仿真參數(shù)都在高置信度區(qū)域。第一步中的驗證方法是從高速 SERDES 分析借用的，稱為合規(guī)性檢查。主要優(yōu)點是可以使用同一 S 參數(shù)集來執(zhí)行時域仿真。這保證了數(shù)據(jù)完整性，并且全自動過程不會試圖修復(fù)或優(yōu)化由 RLCG 矩陣轉(zhuǎn)換為 SPICE 網(wǎng)表所引起的問題，如上所述。本文表明，通過 VB.Net 應(yīng)用程序，很容易將該解決方案整合到工程師的工作環(huán)境中。這一點以及其他便利，例如所有西門子 EDA 產(chǎn)品都有 API 可用，讓我們能夠開發(fā)完整的優(yōu)化方案。

并非所有可能性（如布局可能性或銅結(jié)構(gòu)可能性）都適合用來優(yōu)化功率模塊，實現(xiàn)同等的靜態(tài)和動態(tài)損耗（這對于實現(xiàn)相似的熱行為至關(guān)重要）。這就是為什么必須進(jìn)一步研究和記錄單參數(shù)變化。未來，這些參數(shù)也不再局限于時域和頻域，還要在熱領(lǐng)域和力學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行分析。一個例子是熱阻和熱應(yīng)力。未來的研究將最終形成一套規(guī)則，以便能夠通過設(shè)計規(guī)則檢查來驗證這些規(guī)則。在優(yōu)化過程開始之前，這套規(guī)則確保有一個良好的切入點，并能夠優(yōu)化并縮短獲取結(jié)果的時間。

這樣，我們就能提供設(shè)計方法和解決方案，以滿足未來對新型高效功率模塊的巨大需求。

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