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MA – Auslegung eines leistungselektronischen Modullayouts

Auslegung eines leistungselektronischen Modullayouts bei automatischer Topologieerstellung unter Zielparameteroptimierung

Kurzzusammenfassung

Die Anforderungen in der Leistungselektronik werden aufgrund steigender Sperrspannungen und höherer Stromdichten bei geringeren Schaltzeiten sowie Baugrößen immer höher. Dies erfordert den Einsatz neuer Materialien sowie eine stetige Verbesserung der Aufbau- und Verbindungstechnik. Das Schaltungsträgerlayout hat dabei wesentliche Auswirkungen auf die Verlustleistung, das thermische Management, die elektrische Funktion und nicht zuletzt auf die Kosten eines Moduls. Der Entwurfsablauf eines Schaltungsträgerlayouts ist ein empirischer, in weiten Teilen manueller, iterativer Prozess, welcher sich nur im begrenzten Umfang zur Optimierung eignet. Ziel der Optimierung ist es die parasitär-elektrischen Effekte zu minimieren, sowie die thermische Verlustleistung so effektiv wie möglich abzuführen.

In dieser Arbeit wurde ein Programm geschaffen, welches den Einsatz eines genetischen Algorithmus im Bereich der Schaltungsträgerlayout-Optimierung ermöglicht. Der Ablauf sieht die automatisierte Modifikation der Geometrie, deren Modellierung und das Bewerten des Entwurfs vor. Dafür wurde ein Konzept entwickelt, welches es ermöglicht, ein Startlayout durch Angabe von Parametern zu modifizieren. Die geometrischen Abhängigkeiten werden mittels eines Graphen beschrieben, der die gezielte Transformation der einzelnen leistungselektronischen Komponenten ermöglicht. Grundlage des Programms ist das Modifizieren einer Ausgangsgeometrie durch die Angabe eines Parametersatzes. Dabei werden variabel gehaltene Geometrien durch Angabe eines Wertes an eine neue Position im Raum projiziert und abhängige Geometrien mit transformiert. Dadurch ist es möglich, Änderungen in der Geometrie automatisiert zu berücksichtigen, sie zu modellieren und dem Bewertungsprozess aus thermischer und elektromagnetischer Simulation zuzuführen. Der Nutzer stellt dem Programm die Ausgangsgeometrie zur Verfügung, der Optimierer bestimmt die Änderungen.
Im Verlauf der Arbeit wird auf den Einsatz eines speziellen Optimierers verzichtet und ausschließlich Zufallszahlen verwendet. Die Verifikation des Ablaufs erfolgt durch die Verwendung von zufällig generierten Parametersätzen. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Programmstruktur, der geometrischen Modifizierbarkeit einer Geometrie und der automatisierten Auswertung. Der Entwurf wird aus geometrischer Sicht bewertet, damit eine Simulation durchgeführt werden kann. Das entwickelte GOSimFlow-Programm stellt den automatisierten Arbeitsablauf, die Bewertungsroutinen und die Modifizierbarkeit der Geometrien zu Verfügung. Das Ergebnis ist eine vom Nutzer unabhängige Bearbeitung eines Schaltungsträgerlayouts, welches die Untersuchung einer Vielzahl von Konfigurationen ermöglicht. Die generierten Layouts werden anhand der frequenzabhängigen, parasitären Größen des Widerstands und Induktivität sowie der maximalen Sperrschichttemperatur bewertet.

Abstract

The requirements in power electronics are increasing due to increasing blocking voltages, higher current densities, shorter switching times and module sizes. This requires the use of new materials as well as the constant improvement of the assembly technology. The power module layout has significant effects on the power loss, the thermal management, the electrical function and last but not least on the costs of a module. The design of a layout is an empirical, largely manual and iterative process which has limited extends for using optimization. The aim is to minimize the parasitic-electrical effects and dissipate the thermal power dissipation as effectively as possible.

In this work a program was created, which enables the use of a genetic algorithm in the field of power module layout optimization. The process provides automated modification of the geometry, its modeling and the evaluation of the layout design. A concept was developed for this purpose which makes it possible to modify a start layout by specifying parameters. The geometric dependencies are described by a graph, which allows the targeted Transformation of the individual power electronic components. The foundation of the program is the modification of the initial geometry by specifying a parameter set. In this case, geometries are projected by a value of this set to a new Position in space. Subsequently, dependent geometries are also transformed. This makes it possible to check automatically changes of the geometry, to model them and to supply the Evaluation process of thermal and electromagnetic simulation. The user provides the initial geometry, the optimizer controls the changes of the parameter set. In the further course, the use of a special optimizer is renounced and only random numbers are used. The process is verified by the use of randomly generated parameter sets. The Focus of this work is the program structure, the modifiability of geometry and the automated evaluation. The design has to be evaluated from a geometric perspective before performing a simulation. The developed GOSimFlow program provides the automated workflow, the evaluation routines and the modifiability of the geometries. The result is a user-Independent processing of a power module layout that allows the investigation of a variety of configurations. Furthermore, the generated power module layouts were evaluated on the
basis of the frequency-dependent, parasitic values of the resistance and induction as well as the maximum junction temperature. The effects of the positions of the individual components of a layout are shown on the evaluation criteria.

Bearbeiter: Mario Groccia

Betreuer: Christoph Bayer (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761215; Email: Christoph.Bayer@iisb.fraunhofer.de;

Andreas Roßkopf (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761153; Email: Andreas.Rosskopf@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: EEI

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März