CN109783885B - 一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法及系统，所述方法包括：根据智能功率模块电路设计原理图，构建所述智能功率模块的整体几何模型；将所述整体几何模型进行有限元网格分割和离散化处理，解析得到导电通路和载流元件中的寄生参数并生成等效电路模型；建立主电路和控制电路电气完整性模型；分别求解热场和磁场，建立系统级中的应力应变关系和失效模型；根据应力应变关系和失效模型，以及电气完整性模型，构建物理场耦合分析模型；基于所述耦合分析模型进行电流、磁场和散热的状态规律分析。本发明能够跨不同的有限元分析软件进行多物理场分析的参数提取、场分布以及耦合计算，完成复杂边界条件下的多物理场耦合分析。

Description

一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法及系统

技术领域

本公开属于大功率半导体器件多物理场仿真领域，尤其涉及一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法及系统。

背景技术

伴随着现代电子技术的发展，以绝缘栅双极型晶体管IGBT为核心的功率器件在现代电力电子技术以及众多工业控制领域的应用中显得越来越重要。IGBT作为一种典型的双极性MOS复合型功率器件，集MOSFET与GTR(大功率晶体管)的优点于一身，既具有输入阻抗高，开关速度快，热稳定性好和驱动电路简单的长处，又具有通态电压低，耐压高和承受电流大的优点。智能功率模块以IGBT为基础，内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上均有很大的提高，同时由于智能功率模块通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故整个系统的体积减小了很多，适应了功率器件的发展方向，从而其应用领域越来越广。

目前对智能功率模块的仿真方法都是电-磁-热特性独立进行分析的，所建立的模型都是针对单一物理场的模型。在实际问题中，往往是多个物理场相互叠加相互影响的，形成一个相互耦合的过程直至达到平衡状态。由于智能功率模块的信号处理速度越来越高，智能功率模块电特性分析必须先以电磁场理论为基础，进行复杂边界下的方程求解，器件的集成度越来越高，智能功率模块的散热问题日益突出。传统的建模方法通常采用线性电路元件和简化电路解析模型进行求解，具有大量的粗略近似和过度简化的假设，忽略这些至关重要的基本物理机制，仿真结果将出现偏差。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法及系统。可以跨不同的有限元分析软件进行多物理场分析的参数提取、场分布以及耦合计算，完成复杂边界条件下的多物理场耦合分析。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法，包括以下步骤：

根据智能功率模块电路设计原理图，构建所述智能功率模块的整体几何模型；

将所述整体几何模型进行有限元网格分割和离散化处理；

根据离散化处理后的整体几何模型，解析得到导电通路和载流元件中的寄生参数并生成等效电路模型；

建立主电路和控制电路电气完整性模型；

接收边界条件设置，在三维多层边界条件下，分别求解热场和磁场，建立智能功率模块系统级中的应力应变关系和失效模型；

根据所述应力应变关系和失效模型，以及电气完整性模型，构建电-磁-热多物理场耦合分析模型；

基于所述耦合分析模型进行电流、磁场和散热的状态规律分析。

进一步地，所述构建所述智能功率模块的整体几何模型包括：

根据智能功率模块电路设计原理图，构建相应的二维版图和三维几何模型；

根据所述二维版图生成三维电路模型，与所述三维几何模型结合得到所述智能功率模块的整体几何模型。

进一步地，所述寄生参数包括：导电通路频变电阻、电感、电容、和载流元件中电导参数。

进一步地，所述建立主电路和控制电路电气完整性模型包括：

基于IGBT模块规格书获取IGBT的特性曲线数据，生成IGBT器件的半导体电路模型；

根据所述半导体电路模型和等效电路模型生成电气完整性模型。

进一步地，所述求解热场和磁场是基于设置的求解域、激励以及求解参数。

进一步地，所述建立智能功率模块系统级中的应力应变关系和失效模型包括：

针对热场建立智能功率模块系统级中各组件之间的应力应变关系和失效模型。

进一步地，所述方法还包括针对磁场建立分布模型；基于应力应变关系和失效模型、分布模型，以及电气完整性模型，构建电-磁-热多物理场耦合分析模型。

一个或多个实施例提供了一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的智能功率模块多物理场耦合分析方法。

一个或多个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的智能功率模块多物理场耦合分析方法。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明提供了一种针对智能功率模块的灵活便利有效的跨有限元分析软件之间耦合分析的方法，可以跨不同的有限元分析软件进行多物理场分析的参数提取、场分布以及耦合计算，完成复杂边界条件下的多物理场耦合分析。与传统的智能功率模块针对某一单一物理场的仿真相比，本方法充分考虑了物理场之间的相互叠加和相互影响以及电磁传导干扰和辐射干扰对智能功率模块运行可靠性的影响，可以利用现有的有限元分析软件，不需要进行任何改造和新的开发直接可以在该技术平台进行多物理场耦合分析，根据仿真结果可以全面的了解智能功率模块在工作状态下的电磁场分布、热场分布，并可以计算空间任意给定点的电磁场强度和热场强度。针对智能功率模块在高频高压高温的具体应用，对其拓扑结构进行优化结构，为智能功率模块的电-磁-热设计及性能优化，提供一种可行的理论模型和技术平台。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开实施例一智能功率模块多物理场耦合仿真方法整体框架图；

图2为本公开实施例一智能功率模块多物理场耦合仿真方法具体流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法，能够提前预测智能功率模块的电路特性、电磁特性和散热特性，能够非常直观了解电路运行情况、电磁问题产生机理和电磁噪声传播的方式以及热分布情况，如图1-2所示，该方法包括以下步骤：

所述智能功率模块中包括6个IGBT芯片和一个控制芯片，3个AC端子，2个DC端子，其他包括逻辑、控制、检测等端子。

模型生成步骤：生成所述智能功率模块的整体几何模型，和半导体电路模型。具体包括：

(1)根据智能功率模块电路设计原理图，构建相应的二维版图和三维几何模型；

(2)根据所述二维版图生成三维电路模型，与所述三维几何模型结合得到所述智能功率模块的整体几何模型；

(3)基于IGBT模块规格书获取IGBT的特性曲线数据，生成IGBT器件的半导体电路模型。

通过参数化向导导入规格书中的IGBT的特性曲线数据，提取需要的参数用来生成IGBT器件的半导体电路模型，这样得到的IGBT动态模型导通、关断特性更加准确，能精确描述IGBT开关器件的性能。

等效电路生成步骤：

(1)将所述三维几何模型进行有限元网格分割和边界条件设置，进行离散化处理，得到离散化几何模型；

在接口软件中，将导入的模型文件进行有限元网格分割和边界条件设置和检查，查看几何模型的层数和各层厚度，选择端子，生成特定文件类型导入参数提取工具软件。

(2)将智能功率模块离散化几何模型导入参数提取工具软件中，提取导电通路和载流元件中的频变电阻、电感、电容和电导参数等寄生参数并生成等效电路模型；具体包括：

将智能功率模块几何模型通过设计软件和转换接口软件进行转换；

基于版图设计软件导出的模型文件，在转换接口软件中检查和生成特定文件类型可被有限元分析软件识别导入的模型文件；

将该模型导入参数提取工具软件中，设置材料特征参数、边界条件和激励并提取所述模型中频变电阻、电感、电容、和载流构件中的电导参数等寄生参数并导出该几何模型的等效电路模型。

应力应变关系和失效模型生成步骤：

对上述智能功率模块离散化几何模型利用有限元分析软件计算求解，在三维多层复杂边界条件下通过场求解器求解电磁场方程和热力学方程，得到智能功率模块的电磁场和热场分布，建立智能功率模块系统级中的应力应变关系和失效模型；

将接口软件中模型文件生成特定文件类型模型文件导入有限元分析软件中，检查端子和设置求解域、激励以及求解参数，分别求解热场和磁场并生成场分布图并导出场等效模型。

三维空间等方向均匀介质里的传播可用以下方程表述：

三维空间中的麦克斯韦电磁场方程公式积分形式表述为：

多物理场耦合分析模型建立步骤：

建立主电路和控制电路电气完整性模型以及多物理场链接，构成完整的电-磁-热多物理场耦合分析模型并分析该模型在工作状态下电流、磁场和散热的状态规律。

电气完整性模型可以分析智能功率模块的电磁传导干扰、信号完整性、电源完整性。然后添加子电路将多物理场链接构成智能功率模块的电-磁-热多物理场一体化模型，基于上述模型，可以对智能功率模块的电气特性、电磁特性和热分布进行综合分析。具体包括：

(1)建立主电路和控制电路电气完整性模型；

(2)对电气完整性模型分析电场特性，进行电路分析和电磁传导干扰分析；

(3)电路、电磁场、热场模型进行链接构成智能功率模块电-磁-热多物理场一体化模型。

本发明是利用有限元分析软件对智能功率模块进行复杂边界条件下的多物理场耦合分析进行仿真。为精确描述智能功率模块功率开关器件的性能，利用参数化向导导入规格书中IGBT的特性曲线数据，提取需要的参数用来生成IGBT器件的半导体电路模型，这样得到的IGBT动态模型导通、关断特性更加准确。然后，再将智能功率模块几何模型通过接口软件导入到参数提取工具软件中，提取导电通路频变电阻、电感、电容、和载流构件中电导参数，生成等效电路模型以备进行系统仿真。该模型一旦建成，就可以与半导体电路模型相结合构成智能功率模块的电气完整性模型。针对智能功率模块热场建立模块系统级中各组件之间的应力应变关系和失效模型。参数提取及三维热模型创建完成后，接着建立主电路及控制电路电气完整性模型。电气完整性模型可以用于电路和电磁传导干扰分析。针对智能功率模块电磁传导干扰，分析其信号完整性、电源完整性等问题产生的机理和智能功率模块结构参数、版图布局布线优化方法。上述仿真结果还将被用于检验电磁辐射干扰，系统电气仿真的结果作为全波电磁求解器的输入，采用快速数值算法，得到智能功率模块三维电磁结构的分布参数、静态电磁场分布以及表面电荷分布等结果。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算机系统。

一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现：

根据智能功率模块电路设计原理图，构建所述智能功率模块的整体几何模型；

将所述整体几何模型进行有限元网格分割和离散化处理；

根据离散化处理后的整体几何模型，解析得到导电通路和载流元件中的寄生参数并生成等效电路模型；

建立主电路和控制电路电气完整性模型；

接收边界条件设置，在三维多层边界条件下，分别求解热场和磁场，建立智能功率模块系统级中的应力应变关系和失效模型；

根据所述应力应变关系和失效模型，以及电气完整性模型，构建电-磁-热多物理场耦合分析模型；

基于所述耦合分析模型进行电流、磁场和散热的状态规律分析。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行以下步骤：

根据智能功率模块电路设计原理图，构建所述智能功率模块的整体几何模型；

将所述整体几何模型进行有限元网格分割和离散化处理；

根据离散化处理后的整体几何模型，解析得到导电通路和载流元件中的寄生参数并生成等效电路模型；

建立主电路和控制电路电气完整性模型；

接收边界条件设置，在三维多层边界条件下，分别求解热场和磁场，建立智能功率模块系统级中的应力应变关系和失效模型；

根据所述应力应变关系和失效模型，以及电气完整性模型，构建电-磁-热多物理场耦合分析模型；

基于所述耦合分析模型进行电流、磁场和散热的状态规律分析。

以上实施例二和三中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。

以上一个或多个实施例具有以下技术效果：

本发明提供了一种针对智能功率模块的灵活便利有效的跨有限元分析软件之间耦合分析的方法，可以跨不同的有限元分析软件进行多物理场分析的参数提取、场分布以及耦合计算，完成复杂边界条件下的多物理场耦合分析。与传统的智能功率模块针对某一单一物理场的仿真相比，本方法充分考虑了物理场之间的相互叠加和相互影响以及电磁传导干扰和辐射干扰对智能功率模块运行可靠性的影响，可以利用现有的有限元分析软件，不需要进行任何改造和新的开发直接可以在该技术平台进行多物理场耦合分析，根据仿真结果可以全面的了解智能功率模块在工作状态下的电磁场分布、热场分布，并可以计算空间任意给定点的电磁场强度和热场强度。针对智能功率模块在高频高压高温的具体应用，对其拓扑结构进行优化结构，为智能功率模块的电-磁-热设计及性能优化，提供一种可行的理论模型和技术平台。

本领域技术人员应该明白，上述本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本申请不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本申请的具体实施方式进行了描述，但并非对本申请保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本申请的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本申请的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据智能功率模块电路设计原理图，构建所述智能功率模块的整体几何模型；

所述构建所述智能功率模块的整体几何模型包括：

根据智能功率模块电路设计原理图，构建相应的二维版图和三维几何模型；

根据所述二维版图生成三维电路模型，与所述三维几何模型结合得到所述智能功率模块的整体几何模型；

将所述整体几何模型进行有限元网格分割和离散化处理；

根据离散化处理后的整体几何模型，解析得到导电通路和载流元件中的寄生参数并生成等效电路模型，具体为：在接口软件中，将导入的模型文件进行有限元网格分割和边界条件设置和检查，查看几何模型的层数和各层厚度，选择端子，生成特定文件类型导入参数提取工具软件，将智能功率模块整体几何模型通过设计软件和转换接口软件进行转换，基于版图设计软件导出的模型文件，在转换接口软件中检查和生成特定文件类型可被有限元分析软件识别导入的模型文件，将该模型导入参数提取工具软件中，设置材料特征参数、边界条件和激励，提取所述模型中的寄生参数并导出该几何模型的等效电路模型；

建立主电路和控制电路电气完整性模型；

接收边界条件设置，在三维多层边界条件下，分别求解热场和磁场，建立智能功率模块系统级中的应力应变关系和失效模型；

根据所述应力应变关系和失效模型，以及电气完整性模型，构建电-磁-热多物理场耦合分析模型；

基于所述耦合分析模型进行电流、磁场和散热的状态规律分析。

2.如权利要求1所述的一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述寄生参数包括：导电通路频变电阻、电感、电容、和载流元件中电导参数。

3.如权利要求1所述的一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述建立主电路和控制电路电气完整性模型包括：

基于IGBT模块规格书获取IGBT的特性曲线数据，生成IGBT器件的半导体电路模型；

根据所述半导体电路模型和等效电路模型生成电气完整性模型。

4.如权利要求1所述的一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述求解热场和磁场是基于设置的求解域、激励以及求解参数。

5.如权利要求4所述的一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述建立智能功率模块系统级中的应力应变关系和失效模型包括：

针对热场建立智能功率模块系统级中各组件之间的应力应变关系和失效模型。

6.如权利要求4所述的一种智能功率模块多物理场耦合仿真分析方法，其特征在于，所述方法还包括针对磁场建立分布模型；基于应力应变关系和失效模型、分布模型，以及电气完整性模型，构建电-磁-热多物理场耦合分析模型。

7.一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任一项所述的智能功率模块多物理场耦合分析方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的智能功率模块多物理场耦合分析方法。