芝能智芯出品

电动汽车的快速普及对其电源模块的可靠性和效率提出了前所未有的要求。

Cadence发布了一份白皮书，深入分析了一种综合性的PM设计方法，展示了如何通过电路分析、寄生感知仿真、热模拟和翘曲分析等多种技术，优化电源模块的热性能和机械可靠性，同时降低因设计问题而导致的重新设计成本。

基于SiC MOSFET技术的PM设计中，如何通过“左移”方法论在早期阶段发现潜在问题，从而提升电动汽车的整体安全性和市场竞争力。

Part 1

电源模块设计的挑战与创新方法

电动汽车对其电气系统的稳定性和高效性提出了严格要求，特别是续航里程和安全性的关键指标尤为重要。

为此，许多OEM厂商开始采用碳化硅（SiC）MOSFET来替代传统硅器件。SiC MOSFET因其低开关损耗和高导通效率，可以显著减少能量损耗，提高续航性能。

伴随更高机械功率需求而来的，是PM设计复杂性的显著增加，包括：

● 热管理挑战：功率模块在高功率运行下会产生大量热量，需要先进的散热设计以保证温度在安全范围内。

● 寄生参数问题：杂散电感和电容会引发电磁干扰（EMI），影响模块性能并可能危及安全。

● 机械应力与翘曲风险：封装材料的热膨胀系数差异可能导致变形，进而威胁PM的物理完整性。

传统功率模块设计依赖于实验室后期验证，这种“右移”的流程因重新设计成本高昂而效率低下。

通过“左移”方法论，即在早期设计阶段引入高度集成的仿真和优化工具，可以显著减少潜在问题：

● 电路分析与原理图驱动设计：通过Cadence PSpice模拟器分析数字和模拟模块的运行特性，确保电路在实际工作条件下的可靠性。

● 寄生参数提取与仿真：通过3D EM仿真提取封装中键合线的寄生电感，结合SPICE仿真验证寄生效应对电气性能的影响，优化原理图设计。

● 热模拟与电迁移预测：结合Cadence Celsius 3D热分析工具，量化PM在高功率运行下的温升，并通过Black方程预测电迁移失效风险。

● 翘曲分析与结构优化：针对不同工作温度下的封装结构进行翘曲分析，提前发现并解决机械应力集中问题。

Part 2

案例研究：

SiC功率模块设计，

高效全桥逆变器模块的设计

压接全桥MOSFET功率模块（VS-ENY040C60A）为案例，展示了如何通过上述方法优化PM设计。

具体步骤包括：

● 配置原理图：在Allegro X System Capture中完成模块原理图设计，通过LVS验证布局正确性。

● 封装设计与寄生仿真：在Allegro Package Designer中完成封装设计，通过Clarity 3D EM Solver提取寄生参数并进行优化。

● 热仿真与散热优化：使用Celsius 3D进行热仿真，发现原设计中峰值温度超过150°C。通过加入散热片将温度降至124.7°C。

● 翘曲分析与机械优化：针对不同温度条件下的结构变形进行分析，在峰值温度下识别高应力区域并优化封装设计。

仿真结果显示，未优化的寄生参数导致电压和电流尖峰，可能引发EMI并缩短模块寿命。优化后的设计显著减少了这些问题。

加入散热片后，模块峰值温度从159.5°C降至124.7°C，满足额定工作温度范围。翘曲分析显示，在优化设计下，高应力区域的应变显著降低，模块整体可靠性提升。

Cadence工具链的无缝集成，包括PSpice、Celsius 3D、Clarity 3D等工具的协同工作。这种集成模式不仅提高了设计效率，还减少了数据在不同工具间传递时的潜在误差。

小结

在电动汽车技术不断进步的今天，电源模块作为关键部件，其设计质量直接影响车辆的性能和安全性。

本报告介绍的“左移”方法论，通过在设计初期引入多学科仿真与优化，不仅降低了重新设计的风险，还大幅提升了模块的可靠性和热性能。

随着SiC技术和设计工具的进一步发展，这种创新方法将为行业树立新标杆，为下一代电动汽车的广泛应用奠定基础。