Power-Module entwickeln und verifizieren
S-Parameter-Check zur schnellen Verifikation
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Einfacher, schneller und zuverlässiger simulieren
Für einen vollautomatischen und ganzheitlichen Ansatz der Optimierung von Power-Modulen ist es wichtig, die Anzahl der Ergebnisse aus den verschiedenen Domänen (elektrisch, mechanisch, thermisch und strukturell) auf das Wesentliche zu begrenzen. Bisher wurden für die funktionelle Simulation von Power-Modulen im Zeitbereich Tests mit parasitären Elementen wie Widerstand, Induktivität und Kapazität in SPICE durchgeführt. Der hier beschriebene Ansatz hat gezeigt, dass die Verwendung der S-Parameter-Konformitätsprüfungen die Entwurfs- und Prüfzeit pro Prüfzyklus um 20 Minuten verkürzen kann.
Besonders für einen iterativen Entwicklungsansatz ergeben sich daraus signifikante Vorteile. Darüber hinaus erhöhen S-Parameter die Genauigkeit in einem breiten Frequenzbereich. Dies ist wichtig für neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Simulationsergebnis nicht mehr von der Erfahrung der Ingenieure abhängt. Referenz-S-Parameter können automatisch auf der Grundlage einfacher Standardparameter generiert werden. Dies ermöglicht einen einfachen Vergleich zwischen dem simulierten und dem Referenz-S-Parameter.
Es ist hervorzuheben, dass es derzeit keinen Industriestandard für die Spezifikation von Power-Modulen mit S-Parametern gibt [7]. Aus diesem Grund werden die Referenzparameter basierend auf typischen Anforderungen an Streuinduktivität und Widerstand generiert. So kann der Ingenieur oder der Optimierungsalgorithmus leicht analysieren, ob alle simulierten Parameter im Bereich hoher Sicherheit liegen. Diese Prüfungsmethode stammt ursprünglich aus der Hochgeschwindigkeits-SERDES-Analyse und wird als Konformitätsprüfung bezeichnet.
Der Hauptvorteil besteht darin, dass derselbe Satz von S-Parametern zur Durchführung der Zeitbereichssimulation verwendet werden kann. Dies gewährleistet die Datenintegrität. Zusätzlich ist es möglich, Entwurfsmethoden und Prozesse zu entwickeln, um der hohen Nachfrage nach neuen effizienten Power-Modulen in der Zukunft gerecht zu werden.
Die verfügbaren Softwaretools, wie die von Siemens EDA, unterstützen eine S-Parameter-basierte Überprüfung von Power-Modulen. Es muss aber noch überprüft werden, wie diese Methode in einem produktiven Umfeld angewendet werden kann und ob die Fehlererkennungsrate hoch genug ist, um damit die aktuellen Entwurfsmethoden verbessern zu können. Bevor ein Entwickler sich vollständig auf eine S-Parameter-Konformitätsprüfung verlassen kann, müssen in einer Studie simulierte und gemessene Ergebnisse für definierte Power-Module verglichen werden.
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Entwickeln im Einklang mit den Nachhaltigkeitszielen der UN
Die hier beschriebene Arbeit hat gezeigt, dass der Prüfungsprozess von Power-Modulen verbessert werden kann. Die Verbesserungen im Bereich der Leistung und der Anwenderfreundlichkeit führen zu einer höheren Akzeptanz in der Ingenieurgemeinschaft. Dies unterstützt Ziel 9 der UN hinsichtlich Nachhaltigkeit: Industrialisierung, Innovation und Infrastruktur. Die beschriebene Methode führt zu effizienteren und robusteren Power-Modulen. Das wiederum führt zur Reduzierung von Prototypen und zur Verringerung des damit verbundenen Abfalls. Damit werden auch Ziel 7 und Ziel 13 erfüllt.
Die Autoren
Wilfried Wessel
ist Principle Technical Marketing Engineer bei Siemens mit Schwerpunkt auf allen Produkten im Bereich Leistungselektronik. Er ist seit 2012 bei Siemens tätig und promoviert derzeit im Bereich Leistungselektronik. Vor Siemens entwickelte er bei Panasonic Electric Works einen Leistungstest bis 1000 A für SCPDs. Wessel hat einen M. Sc. in Elektrotechnik.
Florian Bauer
ist Technical Marketing Engineer bei Siemens mit Schwerpunkt auf allen Produkten im Bereich Leistungselektronik. Er ist seit 2022 bei Siemens angestellt und hat davor über zehn Jahre als Hardwareentwickler bei einem Tier-1-Automotive-Zulieferer gearbeitet. Sein Fokus liegt auf der Entwicklung eines ganzheitlichen Entwicklungs- und Verifikationsprozesses mit Siemens-EDA-Produkten. Bauer schloss 2021 sein Studium mit dem Schwerpunkt Mikroelektronik an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Darmstadt mit dem Master ab.
Simon Liebetegger
arbeitet als Leiter eines technischen Labors in einem internationalen Schweizer Unternehmen, das Komponenten und Systeme für die elektrische und optische Verbindungstechnik entwickelt und herstellt. 2023 schloss er sein Studium in Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Mikroelektronik an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Darmstadt mit dem Master ab. Seine Master-Thesis zum Thema »Elektrotechnische Optimierung von Leistungsmodulen zur Verringerung ihrer Verlustenergien« verfasste er in Kooperation mit Siemens.
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