CN108897915A - 一种igbt芯片矩阵模型自动生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种IGBT芯片矩阵模型自动生成方法及系统，包括：获取IGBT芯片矩阵模板中IGBT芯片结构及连接关系建立IGBT芯片模型；通过IGBT芯片模板中的信息采集模型读取所述IGBT芯片模板中各电路元件的特性参数；基于所述特性参数对所述IGBT芯片模型进行配置；对配置后的IGBT芯片模型进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型。本发明提供的技术方案实现了上百个芯片的自动摆放，节省了大量的时间的精力，芯片的自动生成代替了工作中大量的重复人工劳动，解决了手动建模容易出错的问题，同时开发了专用程序，IGBT芯片矩阵模型通过应用程序实现了IGBT内部均流特性的快速验证。
Description
技术领域：
本发明涉及电力电子和功率半导体领域，具体涉及一种IGBT芯片矩阵模型自动生成方法及系统。
背景技术：
大功率IGBT模块通常由几个到上百个参数基本一致的IGBT芯片以及二极管组成，这些通过IGBT和二极管芯片并联以实现容量提升的方案，是设计大电流功率器件的通用方式。理论上讲，每次通电过程中每个IGBT芯片通过的电流应该都是一样的，但在实际设计过程中，由于IGBT内部参数以及线路参数的细微差别，加之封装型式、散热特性等造成的集肤效应等会对芯片通电过程产生影响，导致IGBT芯片之间通过的电流存在差异。在极端情况下，甚至会出现部分芯片通过的电流非常大，造成IGBT器件内部局部过热而降低可靠性。因此需要在设计初期通过仿真手段对IGBT内部芯片并联特性及寄生参数进行研究，以优化IGBT内部的电气及结构设计，确保IGBT芯片和二极管在通电过程中实现均流。
为正确、快速的建立等效电路模型，如果采用传统绘制电路原理图建模的方式将是一项浩大的工程，不仅需要手动摆放上百个芯片模型、寄生电路模型，连线，更要依次设置其参数，这无疑需要投入大量的时间和精力，同时又由于是人工绘制，在绘制过程中容易出错，使建模过程耗费过多人力。
发明内容：
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种IGBT芯片矩阵模板，所述IGBT芯片矩阵模板包括IGBT芯片、以及设置于所述IGBT芯片上的信息采集模型；
所述信息采集模型用于采集IGBT芯片的电路特性参数。
优选的，所述信息采集模型，包括：电阻模型、寄生参数模型、电容和电流传感器；
所述IGBT芯片模型的C极、G极和E极分别连接所述电阻模型之后与对应电极的所述寄生参数模型连接；
所述电阻模型，用于模拟IGBT芯片的C极、G极和E极的端口；
所述寄生参数模型，用于模拟IGBT芯片的寄生电感和寄生互感的特性；
所述电流传感器与IGBT芯片的E极连接，用于获取IGBT芯片的电流；
所述电容与IGBT芯片的C极和E极连接，用于模拟IGBT芯片的C极和E极寄生电容。
优选的，所述电阻模型，包括：
与所述IGBT芯片模型C极连接第一压接电阻；
与所述IGBT芯片模型G极连接第二压接电阻；
与所述IGBT芯片模型E极连接第三压接电阻。
优选的，所述寄生参数模型，包括：寄生电感、寄生电阻和寄生电容；
与所述IGBT芯片模型C极连接第一寄生电感、第一寄生电阻和第一寄生电容，之后与所述第一压接电阻连接；
与所述IGBT芯片模型G极连接的第二寄生电感、第二寄生电阻和第二寄生电容，之后与所述第二压接电阻连接；
与所述IGBT芯片模型E极连接的第三寄生电感、第三寄生电阻和第三寄生电容，之后与所述第三压接电阻连接。
一种IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，所述方法包括：
获取IGBT芯片矩阵模板中IGBT芯片结构及连接关系建立IGBT芯片模型；
通过IGBT芯片模板中的信息采集模型读取所述IGBT芯片模板中各电路元件的特性参数；
基于所述特性参数对所述IGBT芯片模型进行配置；
对配置后的IGBT芯片模型进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型。
优选的，所述通过IGBT芯片模板中的信息采集模型的读取所述IGBT芯片模板电路特性参数，包括：
通过所述信息采集模型的电阻模型读取所述IGBT芯片的C极、G极和E极的端口信息；
通过所述信息采集模型的寄生参数模型读取IGBT芯片C极、G极和E极对应的寄生电感、寄生电阻和寄生电感信息；
通过所述信息采集模型的电容读取IGBT芯片C极和E极质检的电容信息。
优选的，所述基于所述参数和内部连接结构对预先构建的IGBT芯片矩阵模板进行配置，包括：
将所述读取的IGBT芯片的C极、G极和E极的端口信息配置到所述IGBT芯片模型中对应的C极、G极和E极；
将所述读取的IGBT芯片的第一寄生电感、第一寄生电阻和第一寄生电容配置到所述IGBT芯片的C极；
将所述读取的IGBT芯片的第二寄生电感、第二寄生电阻和第二寄生电容配置到所述IGBT芯片的G极；
将所述读取的IGBT芯片的第三寄生电感、第三寄生电阻和第三寄生电容配置到所述IGBT芯片的E极；
将所述读取的IGBT芯片的电容信息配置到所述IGBT芯片模型中对应的电容。
优选的，所述对配置后的IGBT芯片矩阵模板进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型，包括：
基于配置后的IGBT芯片模板获取IGBT芯片模板并联数量和所有模型、电路元件和端口生成的电路符号；
基于所有IGBT芯片模板、所述电路符号、内部连接结构和获取的各个电路元件值自动将各个电路元件模型集成，生成所述IGBT芯片矩阵模型。
优选的，所述对配置后的IGBT芯片矩阵模板进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型，还包括：
基于生成的IGBT芯片矩阵模型在仿真环境中进行仿真；
根据仿真结果判断所述IGBT芯片矩阵模型的可靠性。
一种IGBT芯片矩阵模型自动生成系统，所述系统包括：
获取模块：用于获取IGBT芯片矩阵模板中IGBT芯片结构及连接关系建立IGBT芯片模型；
读取模块：用于通过IGBT芯片模板中的信息采集模型读取所述IGBT芯片模板中各电路元件的特性参数
配置模块：用于基于所述特性参数对所述IGBT芯片模型进行配置；
生成模块：用于对配置后的IGBT芯片矩阵模板进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型。
优选的，所述生成模块，包括：获取子模块和生成子模块；
所述获取子模块，用于基于配置后的IGBT芯片模板获取IGBT芯片模板并联数量和所有模型、电路元件和端口生成的电路符号；
所述生成子模块，用于基于所有IGBT芯片模板、所述电路符号、内部连接结构和获取的各个电路元件值自动将各个电路元件模型集成，生成所述IGBT芯片矩阵模型。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供的一种IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，获取IGBT芯片矩阵模板中IGBT芯片结构及连接关系建立IGBT芯片模型；通过IGBT芯片模板中的信息采集模型读取所述IGBT芯片模板中各电路元件的特性参数；基于所述特性参数对所述IGBT芯片模型进行配置；对配置后的IGBT芯片模型进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型；实现了上百个芯片的自动摆放，节省了大量的时间的精力。
2、本发明提供的一种IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，芯片的自动生成代替了工作中大量的重复人工劳动，解决了手动建模容易出错的问题，同时开发了专用程序，IGBT芯片矩阵模型通过应用程序实现了IGBT内部均流特性的快速验证。
3、本发明提供的一种IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，避免了手工绘制墨子模型原理图的繁重工作以及绘图和参数设置错误难以勘验的弊端，提高了模型生成的效率和模型生成的准确性。
附图说明：
图1为本发明的IGBT芯片矩阵模板的结构图；
图2为本发明的IGBT芯片矩阵模板生成流程图；
图3为本发明的一种IGBT芯片矩阵模型自动生成方法示意图；
图4为本发明的IGBT芯片矩阵模型人机交互界面自动生成工具流程图；
图5为本发明的IGBT芯片矩阵模型自动生成工具界面图；
图6为本发明的自动生成的模型文件及其MAST语言描述示意图；
图7为本发明的自动生成的模型在Saber仿真环境中使用示意图；
图8为本发明的模型仿真结果图；
其中：1-C极输出电阻；2-C极寄生参数模型；3-CE电容；4-E极寄生参数模型；5-E极输出电阻；6-E极电阻；7-G极寄生参数模型；8-G极端口电阻；
9-G极输出电阻；10-G极电阻；11-TGBT单元；12C极电阻。
具体实施方式：
本发明提供的一种IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，首先，提出一种固定模板的电路用以等效IGBT芯片并联及杂散参数的电路特性；同时采用硬件建模语言(MAST)对电路模型进行描述，实现该电路结构可配置的IGBT器件电路模型模板；最后，针对IGBT电路模型中内部芯片数量众多，手动建模容易出错的问题，开发了专用程序，用于自动生成该IGBT器件芯片矩阵电路模型。
为了更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：如图1所示的结构图，包括以下内容：
IGBT芯片矩阵模板包括IGBT芯片、以及设置于所述IGBT芯片上的信息采集模型；
信息采集模型，包括：电阻模型、寄生参数模型、电容和电流传感器；信息采集模型用于采集IGBT芯片的电路特性参数。
IGBT芯片矩阵模板主要包括IGBT芯片(11)、E极/C极/G极寄生电感、E极/C极/G极寄生电阻以及CE极之间寄生电容的电路单元组成。在E极/C极/G极端口采用电阻模型模拟三个端口压接电阻，分别与E极连接的压接电阻(6)，与C极连接的压接电阻(12)，与G极连接的压接电阻(10)，在三个电阻之后增加了寄生参数模型，分别与E极连接的E极寄生参数(4)、与C极连接的C极寄生参数(2)、与G极连接的G极寄生参数(7)，在寄生参数模型每个IGBT芯片及其相关的E/C/G极输出电阻，E极输出电阻(5)、C极输出电阻(1)、G极输出电阻(9)，在每个IGBT芯片的CE极之间增加电容(3)，并在每一个IGBT芯片的E极连接一个电流传感器；在G极电阻与G极寄生参数模型之间连接G极端口电阻(8)。
所述IGBT芯片模型的C极、G极和E极分别连接所述电阻模型之后与对应电极的所述寄生参数模型连接；
电阻模型，用于模拟IGBT芯片的C极、G极和E极的端口；
寄生参数模型，用于模拟IGBT芯片的寄生电感和寄生互感的特性；
电流传感器与IGBT芯片的E极连接，用于获取IGBT芯片的电流；
电容与IGBT芯片的C极和E极连接，用于模拟IGBT芯片的C极和E极寄生电容。
电阻模型，包括：
与IGBT芯片模型C极连接第一压接电阻；
与IGBT芯片模型G极连接第二压接电阻；
与IGBT芯片模型E极连接第三压接电阻。
寄生参数模型，包括：寄生电感、寄生电阻和寄生电容；
与IGBT芯片模型C极连接第一寄生电感、第一寄生电阻和第一寄生电容，之后与所述第一压接电阻连接；
与IGBT芯片模型G极连接的第二寄生电感、第二寄生电阻和第二寄生电容，之后与所述第二压接电阻连接；
与IGBT芯片模型E极连接的第三寄生电感、第三寄生电阻和第三寄生电容，之后与所述第三压接电阻连接。
实施例2：如图2所示的流程图：
步骤一：获取IGBT芯片矩阵模板中IGBT芯片结构及连接关系建立IGBT芯片模型；
具体如图3所示，IGBT芯片矩阵模板主要包括IGBT芯片、E极/C极/G极寄生电感、E极/C极/G极寄生电阻以及CE极之间寄生电容的电路单元组成。在E极/C极/G极端口采用电阻模型模拟三个端口压接电阻，在三个电阻之后增加了寄生参数模型，该模型参数可由Q3D工具对IGBT内部线路寄生参数进行提取，可以精确的模拟寄生电感、互感等特性；在寄生参数模型每个IGBT芯片及其相关的E/C/G极寄生电阻，IGBT芯片模型提取自TCAD-Saber Link工具，能够精确描述IGBT芯片的电路行为。在每个IGBT芯片的CE极之间增加电容，用于描述CE极寄生电容对电路性能的影响，并在每一个IGBT芯片的E极连接一个电流传感器，用于监测每个芯片的电流大小。相关的仿真结果表明，该模板能够准确的模拟IGBT器件的内部电路行为。
步骤二：通过IGBT芯片模板中的信息采集模型读取所述IGBT芯片模板中各电路元件的特性参数；
具体如图3所示，包括以下步骤；
a.通过VC2010软件环境，采用WINDOW.NET编程技术和C#语言，实现人机交互功能，根据研究对象的需要，通过人机界面选择：
●通过人机交互界面选择IGBT芯片模型；
●通过人机交互界面设定IGBT并联数量；
●通过人机交互界面选择IGBT寄生参数模型并进行配置；
●通过人机交互界面设定IGBT内部连接结构；
b.采用WINDOW.NET编程技术和C#语言，编写后台运行模块，将人机交互界面的设置转换为MAST语言网表；
MAST语言是一种电路硬件描述语言，常用于电力电子电路的建模，通过采用MAST语言描述，可使对电路的扩展转变为对语句的复制粘贴。确定IGBT芯片矩阵模板之后，如图4所示，采用WINDOW.NET编程环境和C#语言开发了专用的程序，通过人机交互界面配置E/C/G极接触电阻、IGBT芯片模型(MAST语言模型)、寄生参数模型(SPICE语言模型)、CE极间寄生电容等电路元件以及G极端口与IGBT芯片的连接方式。
步骤三：基于所述特性参数对所述IGBT芯片模型进行配置；
具体如图5所示，本发明实现的人机交互界面窗口，通过该窗口可确定IGBT芯片矩阵模型的相关参数配置，包括所用模型，并联数量，内部结构等。图中给出了4个IGBT芯片的参数配置。
如图6所示，为根据选定的模板配置生成的IGBT芯片矩阵MAST语言模型，模型中包含了IGBT芯片，寄生电阻、寄生电感、互感以及寄生电容等；
步骤四：对配置后的IGBT芯片模型进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型；
采用WINDOW.NET编程技术和C#语言，编写后台运行模型，对MAST语言网表进行封装，将网表转为为IGBT芯片矩阵模型；
利用后台程序自动将各种电路元件模型集成为一个IGBT器件模型(MAST语言模型)，实现IGBT芯片矩阵模型的自动生成。
如图7所示，为自动生成的IGBT芯片矩阵模型在Saber软件环境中仿真电路图，该图为典型的IGBT器件测试电路，Saber是一种工业标准仿真器，支持MAST语言模型，常用于电力电子电路的仿真；
具体如图8所示，为部分IGBT器件芯片均流仿真结果波形，仿真结果显示该模型具有可靠性；
实施例3
基于同一发明构思，本申请还提供一种IGBT芯片矩阵模型自动生成系统，所述系统包括：
获取模块：用于获取IGBT芯片矩阵模板中IGBT芯片结构及连接关系建立IGBT芯片模型；
读取模块：用于通过IGBT芯片模板中的信息采集模型读取所述IGBT芯片模板中各电路元件的特性参数
配置模块：用于基于所述特性参数对所述IGBT芯片模型进行配置；
生成模块：用于对配置后的IGBT芯片矩阵模板进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型。
优选的，所述生成模块，包括：获取子模块和生成子模块；
所述获取子模块，用于基于配置后的IGBT芯片模板获取IGBT芯片模板并联数量和所有模型、电路元件和端口生成的电路符号；
所述生成子模块，用于基于所有IGBT芯片模板、所述电路符号、内部连接结构和获取的各个电路元件值自动将各个电路元件模型集成，生成所述IGBT芯片矩阵模型。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、系统、和计算机程序产品的流程图和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和方框图中的每一流程和方框、以及流程图和方框图中的流程和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (11)
1.一种IGBT芯片矩阵模板，其特征在于，所述IGBT芯片矩阵模板包括IGBT芯片、以及设置于所述IGBT芯片上的信息采集模型；
所述信息采集模型用于采集IGBT芯片的电路特性参数。
2.如权利要求1所述的IGBT芯片矩阵模板，其特征在于，所述信息采集模型，包括：电阻模型、寄生参数模型、电容和电流传感器；
所述IGBT芯片模型的C极、G极和E极分别连接所述电阻模型之后与对应电极的所述寄生参数模型连接；
所述电阻模型，用于模拟IGBT芯片的C极、G极和E极的端口；
所述寄生参数模型，用于模拟IGBT芯片的寄生电感和寄生互感的特性；
所述电流传感器与IGBT芯片的E极连接，用于获取IGBT芯片的电流；
所述电容与IGBT芯片的C极和E极连接，用于模拟IGBT芯片的C极和E极寄生电容。
3.如权利要求2所述的IGBT芯片矩阵模板，其特征在于，所述电阻模型，包括：
与所述IGBT芯片模型C极连接第一压接电阻；
与所述IGBT芯片模型G极连接第二压接电阻；
与所述IGBT芯片模型E极连接第三压接电阻。
4.如权利要求3所述的IGBT芯片矩阵模板，其特征在于，所述寄生参数模型，包括：寄生电感、寄生电阻和寄生电容；
与所述IGBT芯片模型C极连接的第一寄生电感、第一寄生电阻和第一寄生电容，之后与所述第一压接电阻连接；
与所述IGBT芯片模型G极连接的第二寄生电感、第二寄生电阻和第二寄生电容，之后与所述第二压接电阻连接；
与所述IGBT芯片模型E极连接的第三寄生电感、第三寄生电阻和第三寄生电容，之后与所述第三压接电阻连接。
5.一种IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，其特征在于，所述方法包括：
获取IGBT芯片矩阵模板中IGBT芯片结构及连接关系建立IGBT芯片模型；
通过IGBT芯片模板中的信息采集模型读取所述IGBT芯片模板中各电路元件的特性参数；
基于所述特性参数对所述IGBT芯片模型进行配置；
对配置后的IGBT芯片模型进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型。
6.如权利要求5所述的IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，其特征在于，所述通过IGBT芯片模板中的信息采集模型的读取所述IGBT芯片模板电路特性参数，包括：
通过所述信息采集模型的电阻模型读取所述IGBT芯片的C极、G极和E极的端口信息；
通过所述信息采集模型的寄生参数模型读取IGBT芯片C极、G极和E极对应的寄生电感、寄生电阻和寄生电感信息；
通过所述信息采集模型的电容读取IGBT芯片C极和E极质检的电容信息。
7.如权利要求6所述的IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，其特征在于，所述基于所述参数和内部连接结构对预先构建的IGBT芯片矩阵模板进行配置，包括：
将所述读取的IGBT芯片的C极、G极和E极的端口信息配置到所述IGBT芯片模型中对应的C极、G极和E极；
将所述读取的IGBT芯片的第一寄生电感、第一寄生电阻和第一寄生电容配置到所述IGBT芯片的C极；
将所述读取的IGBT芯片的第二寄生电感、第二寄生电阻和第二寄生电容配置到所述IGBT芯片的G极；
将所述读取的IGBT芯片的第三寄生电感、第三寄生电阻和第三寄生电容配置到所述IGBT芯片的E极；
将所述读取的IGBT芯片的电容信息配置到所述IGBT芯片模型中对应的电容。
8.如权利要求5所述的IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，其特征在于，所述对配置后的IGBT芯片矩阵模板进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型，包括：
基于配置后的IGBT芯片模板获取IGBT芯片模板并联数量和所有模型、电路元件和端口生成的电路符号；
基于所有IGBT芯片模板、所述电路符号、内部连接结构和获取的各个电路元件值自动将各个电路元件模型集成，生成所述IGBT芯片矩阵模型。
9.如权利要求8所述的IGBT芯片矩阵模型自动生成方法，其特征在于，所述对配置后的IGBT芯片矩阵模板进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型，还包括：
基于生成的IGBT芯片矩阵模型在仿真环境中进行仿真；
根据仿真结果判断所述IGBT芯片矩阵模型的可靠性。
10.一种IGBT芯片矩阵模型自动生成系统，其特征在于，所述系统包括：
获取模块：用于获取IGBT芯片矩阵模板中IGBT芯片结构及连接关系建立IGBT芯片模型；
读取模块：用于通过IGBT芯片模板中的信息采集模型读取所述IGBT芯片模板中各电路元件的特性参数；
配置模块：用于基于所述特性参数对所述IGBT芯片模型进行配置；
生成模块：用于对配置后的IGBT芯片矩阵模板进行封装，生成IGBT芯片矩阵模型。
11.如权利要求10所述的IGBT芯片矩阵模型自动生成系统，其特征在于，所述生成模块，包括：获取子模块和生成子模块；
所述获取子模块，用于基于配置后的IGBT芯片模板获取IGBT芯片模板并联数量和所有模型、电路元件和端口生成的电路符号；
所述生成子模块，用于基于所有IGBT芯片模板、所述电路符号、内部连接结构和获取的各个电路元件值自动将各个电路元件模型集成，生成所述IGBT芯片矩阵模型。
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