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

功率模塊 S 參數應用基礎

在全面深入探討 S 參數之前，需要對功率模塊有一個基本認識。在大多數情況下，功率模塊由單一銅層緊貼在陶瓷基底上構成。這種簡單結構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 參數提取。這類提取方法廣泛用于 IC上封裝寄生效應的提取。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 網絡）為例進行演示。對于 S 參數和后來使用的 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 網絡的詳細端口定義

S 參數在電路仿真中的優點是不需要轉換成 SPICE 網表。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，必須生成SPICE 封裝器文件。

全自動 SPICE 封裝器轉換

轉換 S 參數封裝器，這些步驟現在可以用代碼實現，有多種方法可以選擇。若要直接集成到西門子功率模塊設計套件中，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，適合開發基于 COM API 的定制功能，例如 Xpedition。

圖 11. VB.Net 功率模塊 S 參數合并程序。

實現所需功能之前，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。這種技術有助于使用 VB.Net 嵌入式列表函數。如果忽略 用 戶 界 面 部 分 ， 該 實 現 方 案 包 含 四 個 函 數 ：Get Ports from S-Parameter（從 S 參數獲取端口）、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”函數對從用戶界面傳遞過來的 S 參數文件進行解析，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絡和參考管腳。有了完整的端口信息后，“Add Sub-Circuit Pins”函數會添加缺失的子電路管腳，如從電路 2 轉換到電路 3 時第 4 行所示。對于此函數，VB.Net 有一個名為“Distinct”的過濾器函數可用。應用該過濾器函數可避免子電路頭信息中出現重復管腳。圖 11 中的“Merge Reference Pins”函數將電路 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 參數封裝器能夠正確地自動生成。表 4 顯示，開關精度獲得了巨大提升，性能增強大約 20 倍。該結果對于功率模塊的整體全自動優化至關重要。

表 4. 仿真總結

S 參數合規性檢查和優化

本文的工作使得 S 參數應用于時域仿真成為可能。然而，表 4 顯示，使用 S 參數進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的仿真長十倍。因此，建議在開展功能仿真之前先進行 S 參數合規性檢查。這種合規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，合規性檢查驗證電路板是否符合特定標準，如 PCIe 4.0。它不是進行全時域分析，而是一切都用 S 參數建模，并與最壞情況進行比較，看是否滿足標準要求。功率模塊沒有這些要求。根據功率模塊的性能數據，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，可以通過并聯切換多個 IGBT 來降低。

結語

為了實現功率模塊的全自動整體優化，依賴單一數據源至關重要。以前使用集總寄生效應作為 SPICE 子電路來對功率模塊進行時域功能仿真。主要原因是缺少參考平面或回流電流結構。

本文的工作使得 S 參數應用于時域分析成為可能，說明了電子領域的未來優化方法可以分兩步執行：第一步，將功率模塊 S 參數與

參考 S 參數進行比較；第二步，使用同一 S 參數集執行仿真并分析瞬態時域行為。目前還沒有關于使用 S 參數描述功率模塊的行業標準。

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

并非所有可能性（如布局可能性或銅結構可能性）都適合用來優化功率模塊，實現同等的靜態和動態損耗（這對于實現相似的熱行為至關重要）。這就是為什么必須進一步研究和記錄單參數變化。未來，這些參數也不再局限于時域和頻域，還要在熱領域和力學領域進行分析。一個例子是熱阻和熱應力。未來的研究將最終形成一套規則，以便能夠通過設計規則檢查來驗證這些規則。在優化過程開始之前，這套規則確保有一個良好的切入點，并能夠優化并縮短獲取結果的時間。

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