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本文始於2021年，介紹如何以Simplorer(Twin Builder)生成可以反應不同溫度下電性特性的功率元件(IGBT開關)模型。

  1. 介紹

  2. 生成元件模型

  3. 使用元件模型

  4. 觀察模擬結果

    4.1 Turn-on waveform

    4.2 Turn-off waveform

  5. 連接Icepak ROM

  6. 觀察模擬結果

  7. 問題與討論

    7.1 步驟3所使用的功率元件開關(N-IGBT)，為何操作時溫度特別高，沒外加散熱片立即掛掉?

    7.2 對於在Simplorer Component Library內已經建好的功率元件模型，如何修改產生Thermal Pin?

    7.3 步驟2.1中的[Model Thermal Output]，默認是[Rise Only]另有[Kelvin]與[Celsius]，分別是什麼意思?

  8. 參考

  1. 介紹

    ...

  2. 生成元件模型

    從[Twin Builder] \ [Characteristize Device] \ [Semiconductors...]的第八步驟中

    2.1 勾選[Use external network]

    [Model Thermal Output]如何設定，請參閱7.3

    [Use external network]僅能在新建模型時指定，若想對現有模型透過[Edit Model]開啟，請參閱7.2

    2.2 就會生成多兩根Thermal Pin的模型

  3. 使用元件模型

    參考C:\Program Files\AnsysEM\AnsysEM21.1\Win64\Examples\Twin Builder\Components\Basic\Circuit\ Semiconductors_device_level\路徑下的NIGBT_Average.aedt與IGBTs\NIGBT_Average_T.aedt官方範例，修改成以下

    如何用電特性來類比熱特性呢 ：

    電阻 R <--> 熱阻 Rth = DT/P (K/W)

    電容 C <--> 熱容 c (J/kg*K)

    電壓差 DV <--> 溫度差 DT

    電流 I <--> 功率 P (W)

    DV=I*R <--> DT = P*Rth

  4. 觀察模擬結果

    4.1 Turn-on waveform

    沒有加散熱片時，開關一導通溫度直接破表(上千度)，導致整個開關的行為異常

    上圖是以2021R1跑出來的波形，由於左邊開關沒有散熱片，開關導通時過熱且波形異常，也導致模擬時間明顯增加。若改以2021R2跑，沒有散熱片的開關導通時過熱且波形還是異常，但與2021R1異常的波形不同，且模擬時間不會因此變慢。

    加了散熱片後，開關導通週期的行為也是正常的

    4.2 Turn-off waveform

    沒有加散熱片時，開關導通週期溫度直接破表(上千度)，導致整個開關的行為異常

    加了散熱片後，開關導通週期的行為也是正常的

  1. 連接Icepak ROM

    延續Icepak-Simplorer link該文的步驟2.6或3.5

    會在生成路徑下看到一個*.simpinfo (Icepak source file)

    此時回到Simplorer執行[Twin Builder] \ [Subcircuit \ [Add Icepak Component...]指定該*.simpinfo，並選擇[Forster Network]+[Consertive] 。[1]

    這手法只在很舊版的legacy Icepak有支持，原因是[Forster Network]只適合低階(low order)系統[2]，冷卻系統或許還行，但電力電子系統就不合適，所以這條路在新版被切斷了。新版Icepak-Simplorer使用[Forster Network]會看到如下錯誤訊息

  2. 觀察模擬結果

    目前沒有功率元件溫度接腳(thermal pin)連接Icepak ROM現成的方法，因為現行的LTI ROM (Rational Function type)只能以功率(W)為輸入，無法以溫度(K)為輸入。

  3. 問題與討論

    7.1 步驟3所使用的功率元件開關(N-IGBT)，為何操作時溫度特別高，沒外加散熱片立即掛掉?

    Ans：

    比較C:\Program Files\AnsysEM\AnsysEM21.1\Win64\Examples\Twin Builder\Components\Basic\Circuit\ Semiconductors_device_level\路徑下的NIGBT_Average.aedt與IGBTs\NIGBT_Average_T.aedt

    發現兩個範例用的N-IGBT規格其實差很多，前者的(VNOM,INOM)=(1200,600)，後者的(VNOM,INOM)=(600,150)，所以後者放在 本文中的600V開關測試電路當然不加散熱片會直接燙死。

    7.2 對於在Simplorer Component Library內已經建好的功率元件模型，如何修改產生Thermal Pin?

    Ans：

    4. 在現有元件符號按右鍵選擇[Edit Model...]，在建模步驟1/12頁面下按[Save Model...]輸出存成xxx.ppm檔(Parameterization Wizard File)，然後按[取消]。

    從[Twin Builder] \ [Characterize Device] \ [Semiconductors...]重啟一個功率元件建模程序，並[Import Model...]剛剛的xxx.ppm，一直按[下一步]直到步驟8/12，此時就可以設置[Use external network]，如本文步驟2.1的貼圖所示。

    7.3 步驟2.1中的[Model Thermal Output]，默認是[Rise Only]另有[Kelvin]與[Celsius]，分別是什麼意思?

    Ans：

    HELP是這麼說：If a material thermal coefficient is defined as alpha/c_deg, then it is Celsius. On the other hand, if a material thermal coefficient is alpha/k_deg, then it is Kelvin.

    因為外部的熱容/熱阻/環境溫度是使用[Kel]單位，所以[Model Thermal Output]請選[Kelvin]。

  1. 參考

[1] Shimeng Huang, "Multi-scale and Multi-domain Simulation of Electrical Power System", IEEE Electron Devices Technology and Manufacturing Conference (EDTM), 2017.

[2] Xiao Hu, "A Foster Network Thermal Model for HEV/EV Battery Modeling", IEEE Transactions on Industry Applications, 2011.