Q3D Extractor: Extraction of busbar Inductance

이 프로젝트에서는 Busnar의 인덕턴스를 추출하는 해석을 진행합니다. 모델은 위와 같습니다.

Nets 정의

디자인 형상과 모든 재질이 올바르게 설정되면 Nets를 정의할 수 있습니다:

• Property Manager에서 Nets를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Auto Identify Nets를 선택합니다.

이 프로젝트에는 이미 도전성 구조물이 3개 있으므로, Auto Identify Nets를 실행하면 3개의 Net이 표시됩니다.

참고: capacitance만 해석하려는 경우 Sources와 Sinks를 정의할 필요가 없습니다.

다음 단계에서는 각 바(bar)의 한쪽 면에 Current Source를, 반대쪽 면에 Current Sink를 할당합니다.

Terminal은 형상의 면(face)에 직접 적용할 수 있습니다.

• Face 선택 모드로 전환하는 세 가지 방법:

‐ 리본(Ribbon)의 Draw 탭에서 Select 옵션을 Face로 변경

‐ 3D Modeler 창에서 마우스 오른쪽 버튼 클릭 → Selection Mode → Faces 선택

‐ F 키를 눌러 Face 선택 모드 바로 실행

추가 정보:

Q3D에는 Thin Conductor라는 경계 조건이 있습니다. 이 경계는 sheet에 적용할 수 있으며, 적용 후에는 edge를 클릭해 Terminal을 edge에 지정할 수 있습니다.

Net 면에 단자 추가 – Source1

• Face Select 모드에서 모델의 앞쪽(–X 방향을 바라보는 뷰)에서 Bar1의 왼쪽 면을 클릭합니다.

• 3D Modeler에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 Assign Excitation → Source를 선택하면 Source 대화상자가 열립니다.

(또는 상단 메뉴의 Q3D Extractor → Nets → Assign Excitation을 통해 동일하게 수행할 수 있습니다.)

• Source 대화상자에서 기본값인 Source1을 그대로 두고 OK를 클릭합니다.

모든 Net에 Terminal(Source/Sink) 할당

• 앞쪽 면에 Source를 두 개 더 추가하여 동일한 과정을 반복합니다.

• 세 개의 바(bar) 각각의 뒷면에는 Sink를 할당합니다.

Solution Setup 추가

• Project Manager에서 Analysis를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Add Solution Setup…을 선택하여 Solve Setup 대화상자를 엽니다.

• Solve Setup 창의 General 탭에서 다음을 설정합니다:

• Solution Frequency: 100 MHz

• 모든 체크박스는 그대로 유지(✔)

100 MHz에서 Validate 및 Analyze

• 프로젝트를 EMCDBarS2로 저장합니다.

• **리본(Ribbon)**의 Simulation 탭에서 초록색 체크 표시가 있는 Validate 아이콘을 클릭합니다.

• Progress 창과 Message Manager 창이 표시되는지 확인합니다. 표시되지 않으면 인터페이스 하단의 아이콘을 클릭해 해당 창을 엽니다.

• Validate 오른쪽에 있는 Analyze All을 클릭하여 Q3D 시뮬레이션을 시작합니다.

참고: Validation Check과 Analyze All 작업은 GUI 상단의 Q3D Extractor 풀다운 메뉴에서도 실행할 수 있습니다.

• 시뮬레이션이 완료될 때까지 Progress Window와 Message Manager를 모니터링합니다.

Q3D 워크숍의 모든 시뮬레이션 파일은 보관하세요. 이후 워크숍에서 계속 사용하거나 결과를 참조할 수 있습니다.

• 시뮬레이션이 완료되면 프로젝트를 다시 저장합니다.

Plot Single Frequency Inductance Results

• DC 인덕턴스 데이터 테이블 플롯

‐ Project Manager에서 Results를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭합니다.

‐ Create Matrix Report → Data Table을 선택합니다.

‐ Category에서 DCL Matrix를 선택합니다.

‐ DCL(bar1:Source1, bar1:Source1)을 클릭합니다.

‐ New Report를 클릭합니다. (대화상자는 닫지 말고 그대로 둡니다.)

• AC 인덕턴스 데이터 테이블 플롯

‐ 같은 Report 메뉴 창에서 계속 작업합니다.

‐ Category에서 ACL Matrix를 선택합니다.

‐ **ACL(bar1:Source1, bar1:Source1)**을 클릭합니다.

‐ Add Trace를 클릭합니다.

• Close를 클릭하여 Report 대화상자를 닫습니다.

Comparing DC Inductance to AC Inductance

Net Bar1의 Self-Inductance는 DC일 때 33 nH, AC일 때 30.6 nH입니다.

왜 이런 차이가 생길까요?

‐ DC 전류가 도선(wire)을 따라 흐를 때는, 전류가 도체의 표면과 내부 전체를 통해 흐르며, 단면 전체에서 전류 밀도(Current Density)가 균일합니다.

‐ 하지만 주파수가 높아질수록, 전류는 도체의 표면을 중심으로 흐르게 되며, 이는 Skin Effect로 알려진 현상입니다.

‐ 이 현상은 주파수가 증가할수록 인덕턴스가 감소하는 원인이 됩니다. 도선의 반경이 커질수록 주위의 인덕턴스는 감소합니다. 주파수가 증가하면 전류가 도체의 외곽부(표면)로 이동하므로, 이는 마치 더 굵은 도선처럼 작용하여 인덕턴스가 감소하는 결과를 낳습니다.

Add Frequency Sweep and Resimulate

• Project Manager에서 Analysis를 확장합니다.

• Setup1을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 Add Frequency Sweep…을 선택하여 Edit Frequency Sweep 창을 엽니다.

• Sweep Name을 EMCD100M으로 설정합니다.

• Sweep Type을 Interpolating으로 설정합니다.

첫 번째 주파수 스윕(line 1) 설정:

‐ Distribution: Linear Count

‐ Start: 0 Hz, End: 0 Hz, Points: 1

• Add Below를 클릭해 두 번째 스윕 라인을 추가합니다.

두 번째 주파수 스윕(line 2) 설정:

‐ Distribution: Log Scale

‐ Start: 1 Hz, End: 100 MHz, Points: 10

• OK를 클릭하여 Edit Frequency Sweep 창을 닫습니다.

• 프로젝트를 저장합니다.

• Analyze를 클릭하여 프로젝트를 다시 시뮬레이션합니다.

• 시뮬레이션이 완료되면 프로젝트를 다시 저장합니다.

Plotting Inductance Over Frequency

• 리본에서 Results 탭을 선택한 상태로 Matrix Report 아이콘을 클릭하고 2D를 선택하여 Report 대화상자를 엽니다.

• Report 창에서 먼저 DC 인덕턴스(Inductance)를 플로팅합니다.

‐ Category에서 DCL Matrix를 선택합니다.

‐ DCL(bar1:Source1, bar1:Source1)을 클릭합니다.

‐ New Report를 클릭합니다. (창은 닫지 않고 유지합니다.)

• 이어서 같은 그래프에 AC 인덕턴스를 플로팅합니다.

‐ Category에서 ACL Matrix를 선택합니다.

‐ ACL(bar1:Source1, bar1:Source1)을 클릭합니다.

‐ Add Trace를 클릭합니다.

• Close를 클릭하여 Report 창을 닫습니다.

• DCL 및 ACL의 초기 플롯에서, 숫자가 표시된 X축을 더블 클릭합니다.

• X Scaling 탭을 클릭합니다.

• Axis Scaling을 **Log(로그)**로 변경합니다.

• OK를 클릭합니다.

단일 주파수 시뮬레이션에서 논의한 바와 같이, 주파수가 증가하면 인덕턴스는 감소합니다.