Simulation ist mehr als Software

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Extraktion elektrischer Parasiten bei Leistungsmodulen mit Ansys Q3D
Um niedrige parasitäre Induktivitäten schon bei der Entwicklung zu vermeiden wird durch Simulationen der Einfluss des 3D-Schaltungsaufbaus bestimmt.

Entwicklung neuartiger Leistungsmodule

Branche: Elektrotechnik/ElektronikFachgebiet: Elektromagnetik

Die Aufbau- und Verbindungstechnik des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, ist spezialisiert auf die Entwicklung neuartiger Leistungsmodule. Mit Ansys Q3D und CADFEM ist ein Workflow zur Vermeidung elektrischer Parasiten aufgesetzt worden.

Zusammenfassung

Aufgabe

Für eine effiziente Funktion der SiC-H-Brücken spielen niedrige parasitäre Induktivitäten der Leistungspfade, der Kommutierungszellen und der Gate-Ansteuerungen die Schlüsselrollen. Darüber hinaus ist eine symmetrische Stromverteilung sehr wichtig. Um diese Eigenschaften bereits in der frühen Entwicklungsphase aktiv zu gestalten, ist Simulation gefragt.

Lösung

Mit Ansys Q3D Extractor werden anhand des geometrischen Aufbaus die frequenzabhängigen parasitären elektrischen Eigenschaften „R, L, C“ des Schaltungslayouts extrahiert. Neue Layouts lassen sich bezüglich ihrer Impedanzen erproben und optimieren sowie verschiedenste Varianten der Schaltungstopologie einfach virtuell testen.

Kundennutzen

Mit Simulationen kann das Fraunhofer IISB seine Innovationen schneller vorantreiben, indem neue Konzepte an virtuellen Prototypen erprobt werden. Ansys Q3D ermöglicht erstmals die Darstellung des Schaltverhaltens und der Stromverteilung vor dem Aufbau eines Demonstrators.

Projektdetails

Aufgabe

Das Fraunhofer Institut IISB ist spezialisiert auf die Entwicklung neuartiger Leistungsmodule. Diese basieren auf Wide-Bandgap-Halbleitern wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) für schnellschaltende Leistungselektronik. Für eine effiziente Funktion dieser Module spielen niedrige parasitäre Induktivitäten der Leistungspfade, der Kommutierungszellen und der Gate-Ansteuerungen die Schlüsselrollen. Darüber hinaus ist eine symmetrische Stromverteilung sehr wichtig. Um diese Eigenschaften bereits in der frühen Entwicklungsphase aktiv zu gestalten und konstruktionsbegleitend zu überprüfen, wird durch Simulationen der Einfluss des dreidimensionalen Schaltungsaufbaus elegant bestimmt. Das Fraunhofer IISB führt diese Berechnungen auch im Auftrag von vielen Industriekunden durch. Folglich spielt ein komfortabler und schneller Workflow für die Berechnungen eine wichtige Rolle.


Lösung

Mit Ansys Q3D Extractor werden anhand des geometrischen Aufbaus die frequenzabhängigen parasitären elektrischen Eigenschaften „R, L, C“ des Schaltungslayouts extrahiert. Zur Geometrie der Leistungsmodule zählen die Anordnung der elektrischen Bauelemente basierend auf der Schaltungstopologie, der Materialdicken, der Abstände und der Leitungsführung. Aus diesen Ergebnissen wird automatisiert ein Spice-Modell für die Analogsimulation des Schaltverhaltens generiert. Dabei werden auch kapazitive und induktive Kopplungen berücksichtigt. So lassen sich neue Layouts bezüglich ihrer Impedanzen erproben und optimieren sowie verschiedenste Varianten der Schaltungstopologie einfach testen, ohne den Aufbau als realen Demonstrator zu erstellen. Beispielsweise kann eine möglichst vorteilhafte Integration von Clamping-Netzwerken oder Filterstrukturen analysiert werden. Unter anderem wurde der vom IISB eigens entwickelte und produzierte Halbleiterchip-basierte RC-Snubber erfolgreich im Kommutierungskreis simuliert und optimiert.


Nutzen für den Kunden

Mit Simulationen kann das Fraunhofer IISB seine Innovationen schneller vorantreiben, indem neue Konzepte an virtuellen Prototypen erprobt werden. Hierbei spielt nicht nur die große Geschwindigkeit der konstruktionsbegleitenden Analyse eine Rolle, vielmehr ermöglicht Ansys Q3D erstmals die Darstellung des Schaltverhaltens und der Stromverteilung vor dem Aufbau eines Demonstrators. Dies führt zu einem schnellen Ausbau des Know-hows und unterstützt die Entwickler dabei, schon frühzeitig die richtigen Designentscheidungen zu treffen. Durch die intuitive Bedienung der Software können sich die Ingenieure auf die wesentlichen Designaspekte konzentrieren. Speziell für die Wirtschaftlichkeit von Auftragsberechnungen sind die einfache Handhabung der Software und die schnellen und genauen Ergebnisse von entscheidender Bedeutung.


Business Development
PhD Christian Römelsberger

Produkt-Anwendungen im Projekt