CN113657064B - 一种功率半导体模块多物理场联合仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体模块仿真技术领域，公开了一种功率半导体模块多物理场联合仿真方法，功率半导体模块多物理场联合仿真方法包括：采用支持导入器件spice模型的专业电路仿真软件PSpice，通过设计特定协同分析方法并二次开发软件数据交互接口即构建联合仿真的耦合接口，采用间接耦合的方式进行PSpice和COMSOL两个软件的电‑热‑力的联合协同仿真。本发明结合了电路仿真软件PSpice和有限元仿真软件COMSOL两者的优势，实现了场与路的耦合仿真；本发明考虑了电、热、力之间的强耦合关系，实现了电、热、力之间实时的双向耦合，提高了仿真的精度；本发明步长自适应，大大缩短了仿真所需时间，提高了仿真效率。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体模块仿真技术领域，尤其涉及一种功率半导体模块多物理场联合仿真方法。
背景技术
目前：随着新能源汽车、轨道交通、航空航天等应用的快速发展，电力电子变换器作为电力传动的核心单元，其地位和重要性日益明显。功率半导体模块作为大功率电力电子变换器的基本开关单元，其可靠性对变换器的可靠性有着决定性的影响。功率半导体模块是一个集多物理场与多时间尺度变化的复杂耦合系统，对其进行建模和仿真时必须从多物理场、多时间尺度的交互影响等维度予以综合考虑。由于多物理场耦合、多时间尺度交互影响的复杂性，目前仍缺乏准确有效的功率半导体模块多物理场联合仿真方法。
功率半导体模块的电、热、力等物理场的仿真需要相应的仿真软件。电路仿真一般使用电路仿真软件例如PSpice、LTspice、Saber、Simulink等，热、力仿真则需要使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics、ANSYS等。尽管商用软件COMSOL和ANSYS具有强大的多物理场仿真能力，当运用到功率半导体模块的多物理场联合仿真中时仍存在如下问题：
ANSYS中的电路仿真软件ANSYS Twin Builder与器件厂商提供的器件的spice模型存在兼容性问题，很多器件模型无法使用。虽然可以在ANSYS Twin Builder中根据厂商提供的数据手册自行构建器件的行为模型，但对建模能力要求较高、耗时耗力。
ANSYS Twin Builder中的热网络模型基于电热比拟，仅对线性时不变(LTI)系统精确成立。然而实际功率半导体模块热系统基本上都不是线性时不变系统，使用电热比拟的热网络方法只能得到近似解，基于模型降阶技术的热网络模型仿真精度不高。
由于RC热网络节点数的限制，计算得到的温度分布是不连续的。因此，热网络通常用于节点温度预测，不适合通过与应力场耦合求解热应力。
COMSOL中的电路仿真模块，即AC/DC模块，不支持导入器件的spice模型,其电路仿真能力有限，仿真精度低，且无法直接和COMSOL中的固体和流体传热、结构力学模块耦合。
针对单一的多物理场仿真软件平台在进行电、热、力的多物理场联合仿真时，存在的电路仿真与有限元仿真时间尺度差异巨大以及软件自身电路仿真能力有限的问题，国内外学者提出了各种方法去克服这些问题。1、简化开关过程，根据公式推导计算得到的固定损耗值作为热、力仿真的边界条件；2、根据拟合得到的损耗与时间关系的数学表达式作为热、力仿真的热耗率3、先进行电路仿真，根据电路仿真结果积分得到器件功率损耗，再把器件损耗作为热耗率在有限元仿真软件中进行热、力仿真。这些方法简化了电路的仿真，忽略了仿真过程中电、热、力之间存在的强耦合关系，耦合方式为单向的顺序耦合，无法实现电、热之间的双向的顺序耦合，大大降低了多物理场仿真的精度。尽管有学者提出了将有限元仿真软件与电路软件协同进行功率半导体模块多物理场联合仿真的方法，但由于缺少有效的步长调整策略，存在仿真所需时间过长的问题，此外该方法并未考虑不同器件结温分布不均的影响，一定程度上降低了仿真精度，另外该方法只进行了不同软件之间多物理场的瞬态仿真，并未实现不同软件之间的稳态多物理场联合仿真。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的仿真技术仿真精度不高，仿真效率不高，且不能有效的进行全面仿真，不能实现不同软件之间的稳态多物理场联合仿真。
解决以上问题及缺陷的难度为：单一仿真软件仿真能力受限，多物理场仿真精度不高，需要使用不同的软件去进行相应的物理场的仿真。功率半导体模块多物理场之间存在着复杂的耦合关系，需要对功率半导体模块多场仿真机制进行研究才能确定实现不同软件之间联合仿真所需传递的耦合变量，进而进行准确的多物理场仿真。此外，由于不同的软件之间为异构系统，为了实现程序化自动的联合仿真需要开发出不同软件之间联合仿真的软件耦合接口以实现自动化的数据交换，软件耦合接口的开发需要开发者对不同软件之间的架构进行深入的研究，对不同软件的程序开发语言有充分的了解。有限元的热、力仿真和电路仿真之间时间尺度的巨大差异也给不同软件之间的联合仿真带来了巨大的挑战，需要合适的联合仿真耦合策略去解决该问题。仿真效率方面，采用固定的数据交换步长难以在仿真精度和效率之间取得平衡，需要动态调整仿真数据交换步长，综合考虑耦合变量变化快慢情况。然而，耦合变量变化是随着仿真过程动态变化的，是一种无规律的变化过程，难以建立准确的随时间变化的表达式去判断耦合变量变化的快慢。
解决以上问题及缺陷的意义为：通过解决以上问题，可以实现PSpice和COMSOL之间的联合仿真，突破了单一仿真软件存在的限制，既可以实现不同软件之间的瞬态仿真研究，也可以进行稳态仿真研究，提高了功率半导体模块多物理场仿真的精度和效率，为后续功率半导体模块电、热、力分布规律与失效/老化机理的研究提供理论基础与技术支撑。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种功率半导体模块多物理场联合仿真方法。
本发明是这样实现的，一种功率半导体模块多物理场联合仿真方法，所述功率半导体模块多物理场联合仿真方法包括：
采用支持导入器件spice模型的专业电路仿真软件PSpice，通过设计特定协同分析方法并二次开发软件数据交互接口即构建联合仿真的耦合接口，采用间接耦合的方式进行PSpice和COMSOL两个软件的电-热-力的联合协同仿真。
进一步，所述联合仿真的耦合接口包括：
在PSpice中使用spice语言构建的电路模型、在COMSOL中使用java语言构建的热-机械模型以及在MATLAB中构建的控制脚本文件。
进一步，所述进行PSpice和COMSOL两个软件的电-热-力的联合协同仿真包括：
进行PSpice电路仿真以及COMSOL热、力仿真，并利用联合仿真的耦合接口基于MATLAB脚本程序对仿真得到的数据进行处理，协调PSpice电路仿真结果与COMSOL热、力仿真结果两者之间的数据传递，进行PSpice和COMSOL之间的协同仿真。
进一步，所述进行COMSOL热、力仿真包括：
使用java语言结合COMSOL Multiphysics 5.6with MATLAB构建热、力模型；
通过另存为后缀名为.m文件的方式进行COMSOL仿真，并利用MATLAB控制仿真过程；采用SOLIDWORKS进行几何图形的绘制，将CAD模型导入到COMSOL中；将热源热耗率设置成变量，在每次同PSpice进行数据交换时对热耗率参数进行更新；
手动划分网格，设置稳态和瞬态两个类型，将稳态求解的结果作为瞬态仿真的初始值，进行有限元的计算，并提取器件结温将其反馈到电路仿真中。
进一步，所述利用联合仿真的耦合接口基于MATLAB脚本程序对仿真得到的数据进行处理包括：
MATLAB提取PSpice仿真数据：MATLAB通过文件读写函数对预先写好的以文本文件保存的spice电路仿真程序进行读写，得到的文本文件中包含的功率损耗数据、电路仿真数据以及其他数据；采用正则表达式筛选得到损耗数据筛选，提取等间距时间点对应的器件损耗，采用微积分分割求和的方法得到每个器件在数据交换时间步长内的平均损耗。
MATLAB提取COMSOL仿真数据：通过设置温度探针得到器件温度数据表，再使用集成的MATLAB函数读取数据表中的结温数据；MATLAB利用采集到的温度数据通过文件读写命令，进行以.lib为后缀的功率器件模型文件中相应的温度参数的更新。
进一步，所述MATLAB通过文件读写函数对预先写好的以文本文件保存的spice电路仿真程序进行读写包括：
首先得到后缀名为.cir的PSpice电路仿真输入文件；控制后缀为.cir的输入文件在PSpice AD中执行，设置输入的.cir文件中的时间步长等长，进行PSpice电路仿真；自动生成后缀为.out的输出文件，基于输出的.out文件得到不同器件上等间距时间点对应的功率损耗数据；通过文件读写命令把.out文件转化成文本文件。
进一步，所述协调PSpice电路仿真结果与COMSOL热、力仿真结果两者之间的数据传递包括：MATLAB将计算得到的损耗数据传输到COMSOL中，更新热源热耗率，改变热、力仿真的边界条件。
进一步，所述采用间接耦合的方式进行PSpice和COMSOL两个软件的电-热-力的联合协同仿真包括以下步骤：
首先，计算电路模型，将电路仿真得到的器件功率损耗作为瞬态热、力仿真的边界条件；其次，在COMSOL中进行瞬态的热、力仿真；最后，将热、力仿真得到的每个器件的结温作为下一次电路仿真的边界条件；不断迭代循环直到满足循环结束的条件。
进一步，所述功率半导体模块多物理场联合仿真方法包括以下步骤：
步骤一，进行参数预定义，在PSpice中进行给定初始温度下的电路仿真，当到达预设的数据交换步长时电路仿真暂停；
步骤二，在MATLAB中通过前述功率损耗计算方法计算功率损耗数据并传递到COMSOL中；
步骤三，在COMSOL中进行热、力仿真，当到达预定的数据交换步长时热、力仿真暂停；
步骤四，MATLAB将提取的结温参数反馈给PSpice电路模型；并将所述结温参数作为新的初始值，在前一个状态的基础上继续进行下一个数据交换时间步长的仿真；
步骤五，将上一个循环结束时的状态将作为下一个循环的初始状态，迭代进行多物理场的动态连续仿真。
进一步，所述功率半导体模块多物理场联合仿真方法还包括：
将PSpice和COMSOL交换数据的时间步长等于COMSOL和PSpice交换数据的时间步长；设置不同的数据交换时间步长对电路仿真与热、力仿真的速率进行控制，进行多速率的多物理场耦合仿真。
进一步，所述设置不同的数据交换时间步长包括：动态计算温度耦合变量拉格朗日插值函数一阶导数，并根据时间步长自适应调整策略，动态调整数据交换的时间步长。
进一步，所述设置不同的数据交换时间步长包括以下步骤：
通过提取迭代节点温度耦合状态变量数值解，构建基于拉格朗日函数的一阶变步长三点数值微分公式，计算得到当前节点插值函数的一阶导数：
其中ti-2，ti-1，ti表示相邻连续三个数据交换时间点，ti为当前时间节点，满足关系式：ti-1＝ti-2+λi-1，ti＝ti-2+λi-1+λi；T(ti-2)，T(ti-1)，T(ti)表示ti-2，ti-1，ti处对应的温度数值解。
根据所述当前节点插值函数的一阶导数建立步长调整策略；设置步长判定区间为[ε1，ε2]，步长调整系数分别为a和b，其中a∈(0，1)，b∈(1，+∞)，有：
(1)若|L′n(ti)|∈[ε1，ε2]，则令λi+1＝λi；
(2)若|L′n(ti)|≤ε1，则令λi+1＝λi×b；适当增大数据交换的时间步长；
(3)若|L′n(ti)|≥ε2，则令λi+1＝λi×a；减小步长。
本发明另一目的在于提供一种实施所述功率半导体模块多物理场联合仿真方法的功率半导体模块多物理场联合仿真系统。
本发明另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述功率半导体模块多物理场联合仿真方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了一种基于PSpice-MATLAB-COMSOL的功率半导体模块多物理场联合仿真方法，实现了不同软件之间的联合仿真。
本发明结合了电路仿真软件PSpice和有限元仿真软件COMSOL两者的优势，实现了场与路的耦合仿真；本发明考虑了电、热、力之间的强耦合关系，实现了电、热、力之间实时的双向耦合，提高了仿真的精度；本发明步长自适应，大大缩短了仿真所需时间，提高了仿真效率；本发明通过对器件spice模型进行改写，实现不同结温反馈，考虑了不同器件温度分布不均的问题，提高了仿真的精度；本发明借助自适应步长调整策略和多物理场耦合策略，实现了不同软件之间多物理场的瞬态和稳态仿真，扩大了本发明的应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的功率半导体模块多物理场联合仿真方法示意图。
图2是本发明实施例提供的功率半导体模块多物理场联合仿真方法原理图。
图3是本发明实施例提供的功率半导体模块多物理场联合仿真方法流程图。
图4是本发明实施例提供的联合仿真软件耦合接口示意图。
图5是本发明实施例提供的间接双向耦合策略示意图。
图6是本发明实施例提供的SiC功率半导体模块示意图。
图7是本发明实施例提供的buck变换器的电路仿真模型示意图。
图8是本发明实施例提供的多物理场联合仿真方法得到的器件结温变化过程和直接稳态的热仿真得到的稳态结温分布图的对比图。
图9是本发明实施例提供的多物理场的稳态应力分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种功率半导体模块多物理场联合仿真方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的功率半导体模块多物理场联合仿真方法包括：
采用支持导入器件spice模型的专业电路仿真软件PSpice，通过设计特定协同分析方法并二次开发软件数据交互接口即构建联合仿真的耦合接口，采用间接耦合的方式进行PSpice和COMSOL两个软件的电-热-力的联合协同仿真。
本发明实施例提供的联合仿真的耦合接口包括：
在PSpice中使用spice语言构建的电路模型、在COMSOL中使用java语言构建的热-机械模型以及在MATLAB中构建的控制脚本文件。
本发明实施例提供的进行PSpice和COMSOL两个软件的电-热-力的联合协同仿真包括：
进行PSpice电路仿真以及COMSOL热、力仿真，并利用联合仿真的耦合接口基于MATLAB脚本程序对仿真得到的数据进行处理，协调PSpice电路仿真结果与COMSOL热、力仿真结果两者之间的数据传递，进行PSpice和COMSOL之间的协同仿真。
本发明实施例提供的进行COMSOL热、力仿真包括：
使用java语言结合COMSOL Multiphysics 5.6with MATLAB构建热、力模型；
通过另存为后缀名为.m文件的方式进行COMSOL仿真，并利用MATLAB控制仿真过程；采用SOLIDWORKS进行几何图形的绘制，将CAD模型导入到COMSOL中；将热源热耗率设置成变量，在每次同PSpice进行数据交换时对热耗率参数进行更新；
手动划分网格，设置稳态和瞬态两个类型，将稳态求解的结果作为瞬态仿真的初始值，进行有限元的计算，并提取器件结温将其反馈到电路仿真中。
本发明实施例提供的利用联合仿真的耦合接口基于MATLAB脚本程序对仿真得到的数据进行处理包括：
MATLAB提取PSpice仿真数据：MATLAB通过文件读写函数对预先写好的以文本文件保存的spice电路仿真程序进行读写，得到的文本文件中包含的功率损耗数据、电路仿真数据以及其他数据；采用正则表达式筛选得到损耗数据筛选，提取等间距时间点对应的器件损耗，采用微积分分割求和的方法得到每个器件在数据交换时间步长内的平均损耗。
MATLAB提取COMSOL仿真数据：通过设置温度探针得到器件温度数据表，再使用集成的MATLAB函数读取数据表中的结温数据；MATLAB利用采集到的温度数据通过文件读写命令，进行以.lib为后缀的功率器件模型文件中相应的温度参数的更新。
本发明实施例提供的MATLAB通过文件读写函数对预先写好的以文本文件保存的spice电路仿真程序进行读写包括：
首先得到后缀名为.cir的PSpice电路仿真输入文件；控制后缀为.cir的输入文件在PSpice AD中执行，设置输入的.cir文件中的时间步长等长，进行PSpice电路仿真；自动生成后缀为.out的输出文件，基于输出的.out文件得到不同器件上等间距时间点对应的功率损耗数据；通过文件读写命令把.out文件转化成文本文件。
本发明实施例提供的协调PSpice电路仿真结果与COMSOL热、力仿真结果两者之间的数据传递包括：MATLAB将计算得到的损耗数据传输到COMSOL中，更新热源热耗率，改变热、力仿真的边界条件。
如图2所示，本发明实施例提供的采用间接耦合的方式进行PSpice和COMSOL两个软件的电-热-力的联合协同仿真包括以下步骤：
首先，计算电路模型，将电路仿真得到的器件功率损耗作为瞬态热、力仿真的边界条件；其次，在COMSOL中进行瞬态的热、力仿真；最后，将热、力仿真得到的每个器件的结温作为下一次电路仿真的边界条件；不断迭代循环直到满足循环结束的条件。
如图3所示，本发明实施例提供的功率半导体模块多物理场联合仿真方法包括以下步骤：
S101，进行参数预定义，在PSpice中进行给定初始温度下的电路仿真，当到达预设的数据交换步长时电路仿真暂停；
S102，在MATLAB中通过前述功率损耗计算方法计算功率损耗数据并传递到COMSOL中；
S103，在COMSOL中进行热、力仿真，当到达预定的数据交换步长时热、力仿真暂停；
S104，MATLAB将提取的结温参数反馈给PSpice电路模型；并将所述结温参数作为新的初始值，在前一个状态的基础上继续进行下一个数据交换时间步长的仿真；
S105，将上一个循环结束时的状态将作为下一个循环的初始状态，迭代进行多物理场的动态连续仿真。
本发明实施例提供的功率半导体模块多物理场联合仿真方法还包括：
将PSpice和COMSOL交换数据的时间步长等于COMSOL和PSpice交换数据的时间步长；设置不同的数据交换时间步长对电路仿真与热、力仿真的速率进行控制，进行多速率的多物理场耦合仿真。
本发明实施例提供的设置不同的数据交换时间步长包括：动态计算温度耦合变量拉格朗日插值函数一阶导数，并根据时间步长自适应调整策略，动态调整数据交换的时间步长。
本发明实施例提供的设置不同的数据交换时间步长包括以下步骤：
通过提取迭代节点温度耦合状态变量数值解，构建基于拉格朗日函数的一阶变步长三点数值微分公式，计算得到当前节点插值函数的一阶导数：
其中ti-2，ti-1，ti表示相邻连续三个数据交换时间点，ti为当前时间节点，满足关系式：ti-1＝ti-2+λi-1，ti＝ti-2+λi-1+λi；T(ti-2)，T(ti-1)，T(ti)表示ti-2，ti-1，ti处对应的温度数值解。
根据所述当前节点插值函数的一阶导数建立步长调整策略；设置步长判定区间为[ε1，ε2]，步长调整系数分别为a和b，其中a∈(0，1)，b∈(1，+∞)，有：
(1)若|L′n(ti)|∈[ε1，ε2]，则令λi+1＝λi；
(2)若|L′n(ti)|≤ε1，则令λi+1＝λi×b；适当增大数据交换的时间步长；
(3)若|L′n(ti)|≥ε2，则令λi+1＝λi×a；减小步长。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：
1.功率半导体模块多物理场耦合仿真机制
功率半导体模块中多物理场之间的耦合机制如图1所示。通过对多物理场耦合机制的分析，可以发现实现不同软件之间多物理场联合仿真的关键是各物理场之间耦合参数的传递。在实际的功率半导体模块中，热源产生的功率损耗这一耦合参数会导致功率半导体模块温度升高，温度的升高会改变功率半导体模块中功率半导体的特性，引起半导体器件电气性能的改变。此外，由于功率半导体模块不同层封装材料之间的热膨胀系数不匹配，温度的变化也会引起不同结构的热膨胀变形，产生机械的热应力。热场与电场、热场与机械场之间具有强耦合关系。然而机械场与电场之间的耦合性较弱，常常忽略它们之间的耦合，在高频强电磁冲击等特殊情况下才予以考虑。
在多物理场耦合机制分析的基础上，对电路仿真软件PSpice和有限元仿真软件COMSOL仿真能力进行研究。研究发现COMSOL中自带热膨胀耦合接口，可以实现热场和机械场之间的多物理场耦合仿真，但COMSOL中的电路仿真模块存在前述的无法导入器件spice模型等问题。为解决该问题，本发明采用支持导入器件spice模型的专业电路仿真软件PSpice，通过设计特定协同分析方法并进行二次开发软件数据交互接口的方式，实现PSpice和COMSOL两个软件的协同仿真。实现协同的仿真的关键在于功率损耗和温度这两个耦合参数在PSpice和COMSOL之间的传递。
2.联合仿真的软件耦合接口
本发明所提出的联合仿真软件耦合接口如图4所示。耦合接口主要包括三个部分:在PSpice中使用spice语言构建的电路模型、在COMSOL中使用java语言构建的热-机械模型以及在MATLAB中构建的控制脚本文件。该软件耦合接口利用MATLAB脚本程序对仿真得到的数据进行处理，协调PSpice电路仿真结果与COMSOL热、力仿真结果两者之间的数据传递，实现了两软件之间的协同仿真，克服了单一软件仿真能力受限、精度不足的问题。
在PSpice中使用spice语言构建电路模型的步骤和正常使用图形化界面手动设置进行电路仿真的步骤基本上是一样的，包括电路图搭建、仿真类型选择、仿真参数设置、电路仿真运行和电路仿真结果后处理等。电路路本质上是用spice程序指令取代手动操作步骤，使电路仿真程序化、自动化。在进行电路图搭建时需要尽可能考虑到非理想电路参数对电路仿真结果的影响。根据电路知识可知，驱动回路非理想参数-寄生电感对功率半导体模块中器件功率损耗有很大影响。为了仿真准确性，需要使用Ansys Q3D对功率半导体模块中的寄生参数进行提取，再将提取得到的驱动回路的寄生电感作为集总参数。在仿真类型的选择上，由于后续需要和COMSOL在特定时间点进行数据交换以实现多物理场耦合仿真，选取最为常用的瞬态仿真类型。在仿真参数的设置上，由于需要进行仿真步长的自适应调整，瞬态仿真时间设置需要为变量，在每一次数据交换的同时，对每一次瞬态仿真时间进行更新。在电路仿真运行后进行数据处理和交换时，因为PSpice与COMSOL是两个异构软件，无软件交互接口，所以COMSOL无法直接对电路仿真数据进行处理和提取。为了实现两者之间的数据交换，本发明采用MATALB作为第三方软件，作为桥梁去协同两个软件之间的仿真数据交换。然而，PSpice和MATLAB之间也没有现成的可用的软件接口可以实现它们之间的数据交换。本发明针对此困难，借助MATLAB强大的数据处理和算法开发能力，通过编写软件接口程序，实现MATLAB对PSpice的进程控制和数据处理。PSpice与MATLAB联合仿真接口程序编写的关键是对各种输入输出格式文件的处理。MATLAB通过文件读写函数对预先写好的以文本文件保存的spice电路仿真程序进行读写，首先得到后缀名为.cir的PSpice电路仿真输入文件。然后控制后缀为.cir的输入文件在PSpice AD中执行，进行PSpice电路仿真。在使用PSpice进行电路仿真时，为了方便后续使用MATLAB处理损耗数据，需要设置输入的.cir文件中的时间步长等长。在PSpice中执行电路仿真程序后，会自动生成后缀为.out的输出文件，在输出的.out文件中可以得到不同器件上等间距时间点对应的功率损耗数据。在对功率损耗数据进行处理时，由于MATLAB无法直接对输出文件.out文件进行读写操作，需要先通过文件读写命令把.out文件转化成文本文件。得到的文本文件中除了功率损耗数据还包括电路仿真得到的一些其他数据。为了方便MATLAB读出各个时间点对应的功率损耗结果，采用正则表达式把损耗数据单独筛选出来。提取出等间距时间点对应的器件损耗后，采用微积分分割求和的方法得到每个器件在数据交换时间步长内的平均损耗。MATLAB将计算出的损耗数据传输到COMSOL中，更新热源热耗率这一参数，改变热、力仿真的边界条件。
在COMSOL中使用java语言构建热、力模型时可以借助COMSOL Multiphysics5.6with MATLAB这一现成的COMSOL和MATLAB软件接口。在COMSOL中进行的每一步仿真操作步骤都可以通过另存为后缀名为.m文件的方式，在MATLAB中得到对应操作步骤的Java语言形式的程序命令，使整个热、力多物理场仿真过程均可由MATLAB控制。热、力多物理场仿真过程主要包括选择多物理场耦合模块(固体和流体传热、层流/湍流和结构力学模块)、绘制或导入CAD几何模型、定义几何体材料属性、设定热源与其它边界条件、划分网格、设置研究类型、有限元计算求解和仿真结果后处理。多物理场耦合模块选取层流/湍流是为了准确模拟风冷或液冷中风扇等流量控制装置作用下的冷却效果，充分模拟流体和传热之间的耦合，以提高热仿真的准确性。本发明采用SOLIDWORKS进行几何图形的绘制，然后将CAD模型导入到COMSOL中。设定热源热耗率时与PSpice类似，需要设置成变量，在每次同PSpice进行数据交换时对热耗率参数进行更新。进行网格划分时并未采用简单的软件自动划分网格，而是通过手动划分网格，以兼顾有限元仿真的精度和效率。在设置研究类型时，考虑到流体传热仿真求解的收敛性差的问题，设置稳态和瞬态两个研究类型，把稳态求解的结果作为瞬态仿真的初始值，以提高仿真的收敛性。在完成有限元的计算求解后，需要提取器件结温将其反馈到电路仿真中。不同于MATLAB提取PSpice仿真数据时需要进行多次文件读写操作，在使用MATLAB提取COMSOL仿真数据时，通过设置温度探针可以得到器件温度数据表，再使用集成的MATLAB函数读取数据表中的结温数据。MATLAB利用采集到的温度数据通过文件读写命令，实现以.lib为后缀的功率器件模型文件中相应的温度参数的更新。
3.联合仿真耦合策略
由于功率半导体模块的电路模型与热、力模型分别通过不同的仿真软件构建，因此需要采用间接耦合的方式实现电-热-力的联合仿真。如流程图2与单一软件下的直接耦合方式相比较，本发明提出的间接耦合方法首先求解电路模型，把电路仿真得到的器件功率损耗作为瞬态热、力仿真的边界条件，然后在COMSOL中完成瞬态的热、力仿真，最后把热、力仿真得到的每个器件的结温作为下一次电路仿真的边界条件。不断迭代循环直到满足循环结束的条件。所有的过程都是通过程序实现的，从而实现自动化联合仿真。
本发明采用的间接双向耦合策略如图5所示。在这种耦合策略中，PSpice和COMSOL交换数据的时间步长等于COMSOL和PSpice交换数据的时间步长。这是由于功率半导体模块中各物理场的作用时间相等，所以两个软件在每一次对应的瞬态仿真中的时间步长需要设置相同。然而，PSpice内在时间步长远小于COMSOL内部时间步长。这是由于器件的开关瞬态的时间尺度为μs级，为了确保器件开关行为和功率损耗的精确仿真，需要在PSpice中设置ns级的仿真步长。传热的时间尺度为ms级，在COMSOL中ms级的时间步长足以进行热、力的高精度仿真。针对研究问题的不同，可设置不同的数据交换时间步长对电路仿真与热、力仿真的速率进行控制，从而实现多速率的多物理场耦合仿真。在极短时间尺度情况下的仿真中，例如功率半导体模块发生短路时的多物理场仿真中，功率半导体模块的电、热、力特性在短时间内发生剧烈变化，数据交换时间步长需要设置在ms级。在长时间尺度的热、力仿真中，为了在计算精度和效率之间取得良好的平衡，甚至可以采用秒级数据交换时间步长。通过这种间接双向耦合的策略，能够兼顾仿真精度和效率，实现对功率半导体模块的动态传热特性以及电气特性的精确仿真。
传热特性以及电气特性的动态连续仿真需要使用MATLAB脚本对PSpice和COMSOL中仿真进程进行顺序控制。仿真进程四步为一个迭代循环：第一步，在PSpice中进行给定初始温度下的电路仿真，当到达预设的数据交换步长时电路仿真暂停；第二步，在MATLAB中通过前述功率损耗计算方法计算出功率损耗数据并传递到COMSOL中；第三步，在COMSOL中进行热、力仿真，当到达预定的数据交换步长时热、力仿真暂停。第四步，MATLAB将提取出的结温参数反馈给PSpice电路模型，并将其作为新的初始值，在前一个状态的基础上继续进行下一个数据交换时间步长的仿真。上一个循环结束时的状态将作为下一个循环的初始状态，使其成为一个动态的迭代过程，实现多物理场的动态连续仿真。
本发明提出的方法可以实现不同软件之间的瞬态和稳态的全工况联合仿真。具体来讲，在进行瞬态问题的研究中，动态迭代过程在达到设定的迭代次数后结束。在稳态仿真研究中，当相邻两次瞬态迭代过程之间的功率器件温差小于预定义阈值时，认定已达到稳态仿真结束。对于本发明研究的功率半导体模块瞬态场耦合问题,由于各个物理场在时域上不断变化,对其进行解耦分析时需要对各个物理场按瞬态进行分析。进行两个软件之间的稳态仿真时本质上是通过连续的瞬态仿真去逼近稳态，当器件上温度不再发生变化时，结束瞬态的仿真，得到稳态时功率半导体模块的电、热、力的仿真结果。
4.自适应步长调整
各瞬态步内存在非平衡载荷残差，而过大的非平衡载荷残差将危及数值积分的收敛性。在使用本发明提出的联合仿真方法进行两个软件的稳态仿真研究时，接口软件数据交换时间步长的设置是一个十分重要的问题，它与联合仿真的精度和效率有密切关系。当选取的数据交换步长足够小时，虽然能够保证求解的精度及稳定性，但较小的数据交换步长会造成较多的迭代次数，求解效率低；采用较大的数据交换步长虽然能够减少迭代次数，但由于在数据交换步长区间内求解某一物理场的问题时忽略了其他物理场的耦合作用，有可能造成较大的截断误差。总之，采用固定数据交换步长难以在仿真的精度和仿真的效率之间取得平衡。如何高效合理的确定数据交换步长，是本发明亟需解决的问题。
本发明提出一种基于温度耦合状态变量数值解的自适应步长耦合分析方法，通过提取迭代节点温度耦合状态变量数值解，构建基于拉格朗日函数的一阶变步长三点数值微分公式。取温度耦合状态变量Tj为跟踪对象，相邻连续三个数据交换时间点ti，ti+1＝ti+λi，ti+2＝ti+λi+1+λi+2处对应的温度数值解为T(ti)，T(ti+1)，T(ti+2)。根据相邻的三个节点构建二次拉格朗日插值多项式并求导得：
取ti+2时刻为当前节点，代入上式(1)中，并另i＝i+2，则可得一阶变步长微分公式为：
由式(2)求解得到当前节点插值函数的一阶导数并据此建立步长调整策略。设置步长判定区间为[ε1，ε2]，步长调整系数分别为a和b，其中a∈(0，1)，b∈(1，+∞)有：
(1)若|L′n(ti)|∈[ε1，ε2]，则令λi+1＝λi；
(2)若|L′n(ti)|≤ε1，则令λi+1＝λi×b；此时温度变化较平缓，非平衡载荷残差较小，因此可以适当增大数据交换的时间步长去提高求解的效率；
(3)若|L′n(ti)|≥ε2，则令λi+1＝λi×a；此时温度变化较剧烈，微小步长变化便有可能发生较大的非平衡载荷残差，因此应该减小步长，以保证求解精度。
在进行迭代分析时，动态求解温度耦合变量拉格朗日插值函数一阶导数，并根据时间步长自适应调整策略，动态调整数据交换的时间步长。
5.功率半导体模块联合仿真实例
建立如图6所示的SiC功率半导体模块。在该模块中使用的功率器件为来自CREE公司的SiC MOSFET CPM312000075A和SiC SBD CPW41200S015B。在每个开关位置并联三个MOSFET和三个肖特基续流二极管。在PSpice AD中使用spice语言程序搭建了一个如图7所示的buck变换器的电路仿真模型。buck变换器工作在500V直流输入电压、4A负载电流、100kHz开关频率、0.8占空比、10Q驱动电阻的情况下。电路仿真的初始温度设置为20℃。在COMSOL中使用iava程序建立了功率半导体模块的热、力模型。考虑到精度和效率的平衡，将电路和热、力仿真的内在时间步长分别设置为1ns和100ms。将两个仿真模型之间的初始数据交换步长设置为1s。
使用本发明提出的多物理场联合仿真方法得到的器件结温变化过程和直接稳态的热仿真得到的稳态结温分布图的对比图如图8所示。联合仿真方法计算出的稳态的器件的功率损耗作为直接稳态热仿真的输入参数。上下两条曲线分别代表了联合仿真过程中M2和D5芯片上的温度随时间的变化过程。通过联合仿真得到的M2和D5的稳态温度分别为109.3℃，103.9℃。两条曲线右下方为采用直接稳态热仿真方法得到的功率半导体模块的稳态温度分布图。通过直接稳态的热仿真，得到SiC MOSFET M2和二极管D5的结温分别为108.3℃和103.1℃。对比可知两种仿真方法得到的仿真结果的结温差均小于1℃，验证了使用联合仿真方法的可行性。多物理场的稳态应力分布如图9所示。从图中可以看出，在SiC功率半导体模块中，焊层和键合线处存在较高的应力。为了提高功率半导体模块的可靠性，可从焊料和键合线出发，选择高可靠性的焊料和键合线。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种功率半导体模块多物理场联合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，进行参数预定义，在PSpice中进行给定初始温度下的电路仿真，当到达预设的数据交换步长时电路仿真暂停；
步骤二，在MATLAB中通过功率损耗计算方法计算功率损耗数据并传递到COMSOL中；
步骤三，在COMSOL中进行热、力仿真，当到达预定的数据交换步长时热、力仿真暂停；
步骤四，MATLAB将提取的结温参数反馈给PSpice电路模型；并将所述结温参数作为新的初始值，在前一个状态的基础上继续进行下一个数据交换时间步长的仿真；
步骤五，将上一个循环结束时的状态将作为下一个循环的初始状态，迭代进行多物理场的动态连续仿真，当满足迭代终止条件时联合仿真结束；
所述功率半导体模块多物理场联合仿真方法还包括：将PSpice和COMSOL交换数据的时间步长等于COMSOL和PSpice交换数据的时间步长；设置不同的数据交换时间步长对电路仿真与热、力仿真的速率进行控制，进行多速率的多物理场耦合仿真；
所述设置不同的数据交换时间步长包括以下步骤：通过提取迭代节点温度耦合状态变量数值解，构建基于拉格朗日函数的一阶变步长三点数值微分公式，计算得到当前节点插值函数的一阶导数：
其中ti-2，ti-1，ti表示相邻连续三个数据交换时间点，ti为当前时间节点，满足关系式：ti-1＝ti-2+λi-1，ti＝ti-2+λi-1+λi；T(ti-2)，T(ti-1)，T(ti)表示ti-2，ti-1，ti处对应的温度数值解；
根据所述当前节点插值函数的一阶导数建立步长调整策略；设置步长判定区间为[ε1，ε2]，步长调整系数分别为a和b，其中a∈(0，1)，b∈(1，+∞)，有：
(1)若|L′n(ti)|∈[ε1，ε2]，则令λi+1＝λi；
(2)若|L′n(ti)|≤ε1，则令λi+1＝λi×b；增大数据交换的时间步长；
(3)若|L′n(ti)|≥ε2，则令λi+1＝λi×a；减小步长。
2.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1所述的功率半导体模块多物理场联合仿真方法。
3.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1所述的功率半导体模块多物理场联合仿真方法。
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