电动汽车（EV）

电动汽车（EV）日益普及，用户对其续航与安全也更加关注。为提升续航，车企正广泛采用碳化硅MOSFET（SiC）。相比传统硅器件，碳化硅开关损耗与传导损耗更低，能减少电能转换损失，从而提升整车能效和续航里程。

在电动汽车电气系统中，电源模块（PM）的可靠性至关重要，直接影响车辆功能与安全。复杂电气系统需支持多种工作电压，同时要求电源模块体积更小、空间利用率更高。在千瓦级功率下，模块温度可升至130°C左右，必须依靠隔热与高效散热设计才能保证车辆使用寿命。以下设计方法适用于碳化硅或硅基MOSFET电源模块。

电源模块设计注意事项

随着机械功率需求和快充能力提升，模块功耗不断上升。若不重点考虑电气与热可靠性，故障风险将显著增加。

潜在问题包括：

●  热管理不善

●  可能出现的结构失效

    ○  翘曲

    ○  电迁移

●  高电磁干扰

●  功能失效发生时间更早

为满足安全标准，设计往往需进行妥协调整，加之高电压、高电流、高功率与高温等严苛工况，设计裕量非常有限。受限于当前仿真与分析工具，电源模块设计挑战较大。目前唯一可靠的设计验证方式仍是实验室测试，但这通常需在封装完成后进行，导致问题发现过晚，不仅延误上市时间，还可能因重新设计带来高昂成本。

图 1：Cadence 电源模块设计流程

我们将介绍一种综合方法，用于高效设计电动汽车及其他大功率系统的电源模块，采用以下方法设计并完整分析了压接全桥MOSFET 电源模块(VS-ENY040C60A)。

在本练习中，我们将模块配置为直流-交流逆变器,供电电压为400V，栅极脉冲电压为260V,占空比为1.5%，脉冲重复间隔为10us。

图2：配置电源模块原理图

在Allegro X PCB System Capture中设计的原理图驱动Allegro X Advanced Package Designer中的封装设计，如图3所示。图中可清晰识别出键合线和四个带有连接走线的MOSFET。

图3：电源模块封装2D 视图

电源模块封装内部的键合线和互连结构会出现与频率和温度有关的寄生效应，从而影响 SPICE 仿真。PSpice仿真中包含了从封装中提取的寄生参数，图4展示了这些寄生参数在电路运行过程中的表现，其中突出显示的尖峰会对电源模块的预期寿命产生不利影响，也会对电动汽车内部的导航模块造成严重电磁干扰(EMI)，进而危及整车安全。通过将多芯片模块(MCM)导入Clarity™3D Solver，我们实现了对电源模块键合线的高精度提取与重新仿真，从而进一步分析 EMI 影响。

图4：有寄生参数和无寄生参数的仿真结果比较

基于在SPICE 仿真中获得的功率和电流数据，我们在Cadence Celsius™3D 中进行了热仿真，预测峰值温度为159.5°℃。由于该模块的额定最高工作温度为150℃，因此有必要对散热设计进行修改。如图6所示，通过配置具有特定传热系数(HTC)的散热器，模块温度(峰值为124.7°℃)已处于正常工作范围内。

图 5：无散热器电源模块的温度分布图

图6：有散热器电源模块的温度分布图

我们进一步对比了在159.5°℃和 124.7℃ 两种峰值温度下的结构变形情况。下方翘曲分析图显示了在受约束热膨胀条件下，两种温度对应的可能变形区域(图中以红色标示)。

图7：工作温度为159.5°℃时的结构变形

图8：工作温度为124.7°℃ 时的结构变形

结论

在不断增长的电动汽车市场中，安全性始终是重中之重。我们所探讨的电源模块设计方法，有助于降低电动汽车发生故障、操控异常或电子控制单元(ECU)起火的风险。通过将所述方法中的所有必要工具整合至统一的设计流程中，Cadence 为电动汽车电源模块设计提供了一站式解决方案。各种工具之间的互操作性和无缝设计流程，提高了开发过程的成本效益，并加快了产品上市。凭借这些显著优势，电动汽车的能效与可靠性均得以提升，安全性能也进一步得到保障。

文章内容来源于Cadence