CN115061387A - 一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法 - Google Patents

一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于可靠性工程领域，公开了一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法包括：构建元器件电场、热场和力场等多种物理场耦合的高保真仿真模型，采用场路耦合的方法建立元器件的物理场‑电路行为协同仿真模型，综合考虑元器件物理场、电路行为、器件响应三者之间的动态关系，利用蒙特卡洛仿真的方法对器件响应的不确定性进行量化。本发明考虑了电场、热场和力场之间的耦合关系，构建了元器件的高保真仿真模型；本发明结合了有限元仿真软件COMSOLMultiphysics和电路仿真软件MATLAB/Simulink两者之间的优势，实现了物理场模型和电路模型的协同仿真；本发明考虑了实际工程应用中元器件仿真的不确定性来源，并利用蒙特卡洛仿真的方法对器件响应的不确定性进行了量化，计算得到了元器件的使用可靠性，提高了元器件场路耦合协同仿真模型的工程实际应用价值。

Description

一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估 方法
(一)技术领域
本发明属于可靠性工程领域，具体为一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法。
(二)背景技术
近年来，随着制造和封装技术的发展，电力电子元器件向着小型化、集成化演变，其性能和功率密度均有了很大提高。同时，元器件的应用场景也得到了拓展，其运行过程中经历的工况和环境载荷类型变得更加复杂——包含电、热、振动等在内的多种物理场共同存在。在多种物理场的共同作用下，元器件的物理特征和性能响应会发生变化，严重时甚至会引发失效。因此，分析和评估元器件在多物理场共同作用下的物理、性能响应进而判断产品健康状态已经成为电力电子产品设计、维护当中的重要工作。由于通过试验进行多物理场分析的耗时长且成本高，工程中普遍采用建立物理场仿真模型的方式，分析评估元器件的物理、性能响应。
对于使用当中的元器件而言，多种物理场的作用不是相互独立的，而是一定程度上相互影响，紧密耦合的。如，功率器件发热产生的热量(热场)，与元器件所在电路的电流(电场)，器件本身因热应力导致的形变(力场)就有着密不可分的关系。因此，明确不同物理场之间的相互作用，构建多物理场耦合的仿真模型对于高保真地反映器件物理、性能响应具有重大意义。
然而，由于元器件的多物理场耦合是一个物理场、电路行为、器件响应三者相互作用且动态变化的复杂问题，仅通过有限元仿真的方式建立多物理场耦合模型计算物理响应，而不考虑元器件所在电路的实时工作状态，将无法模拟器件物理响应对电路参数的影响，仿真精度较低。因此，需要通过场-路耦合的方法建立元器件的物理场-电路协同仿真模型来同时考虑上述三者的相互作用。但是，由于在工程实际当中不确定性的普遍存在，物理场边界条件、电路行为参数、器件响应均具有不确定性，而目前的协同仿真方法普遍未对不确定性进行考虑，无法对器件响应的不确定性进行量化，进而造成无法准确判断元器件的健康状态的问题，难以满足工程实际需求。为解决以上问题，本发明提出一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，通过构建元器件的高保真模型实现工程实际应用中的元器件使用可靠性评估。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，所述一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法包括：
构建元器件电场、热场和力场耦合的多物理场高保真仿真模型，采用场路耦合的方法建立元器件的物理场-电路行为协同仿真模型，综合考虑元器件物理场、电路行为、器件响应三者之间的动态关系，利用蒙特卡洛仿真方法对器件响应的不确定性进行量化，最终根据不确定性量化结果计算得到元器件的使用可靠度。
进一步，所述基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法包括以下步骤：
S100：识别元器件物理场-电路协同仿真接口；
S200：在COMSOL Multiphysics中构建元器件物理场仿真模型；
S300：在MATLAB/Simulink中构建元器件电路仿真模型；
S400：通过COMSOL LiveLink构建物理场-电路协同仿真接口；
S500：编写仿真脚本控制文件，量化仿真参数的不确定性，并进行蒙特卡洛仿真；
S600：根据蒙特卡洛仿真输出结果，计算元器件使用可靠度。
S100中，所述识别元器件物理场-电路协同仿真接口具体包括：根据具体元器件工作时涉及到的物理场、电路环境和器件响应原理，确定多物理场仿真模型和电路仿真模型中相互作用的物理参数，所述相互作用物理参数即为协同仿真的接口，相应地，物理参数之间相互作用的方式为接口对应的传递函数。
S200中，所述构建元器件物理场仿真模型具体包括：所述物理场模型具体为热-力场仿真模型，仿真方法为有限元分析。采用3D建模软件绘制元器件三维模型，将三维模型导入COMSOL Multiphysics中，根据步骤S100所述的元器件物理场-电路协同仿真接口，在多物理场模型全局定义中定义好涉及到的物理参数，根据具体涉及的物理场定义网格划分贡献项，并设置多物理场模型为瞬态仿真模型，定义瞬态仿真结果输出步长，最后保存为.mph文件。
S300中，所述构建元器件电路仿真模型具体包括：采用MATLAB/Simulink中的形式化建模方式，构建元器件所在电路行为仿真模型，根据元器件实际电路工作环境构建电路模型并定义相关器件的电路参数，将步骤S100所述的元器件物理场-电路协同仿真接口中识别到的电路接口参数定义为输出变量，物理场接口参数定义为输入变量，受传递函数影响的电路特性定义为函数变量，其他参数定义为常数。
S400中，所述构建物理场-电路协同仿真模型具体包括：在COMSOL Multiphysics中打开步骤S200所述的元器件物理场仿真模型，根据步骤S100所述的元器件物理场-电路协同仿真接口，在Cosimulation for Simulink窗口中设置输入参数和输出参数，根据具体情况选择储存解的方式为在通信步进结束，最后导出并保存为.fmu文件。从COMSOLMultiphysics 5.6with Simulink中进入Simulink界面，添加COMSOL Cosimulation模块，在该模块中导入所述.fmu文件，并与步骤S300所述的电路仿真模型中定义的输入输出进行链接，编写MATLAB函数文件描述传递函数，并以模块化的方式嵌入到电路模型中，完成模型之间双向数据交换，实现物理场-电路行为的协同仿真。进一步，在协同仿真模型中添加out模块，将感兴趣的仿真结果输出到MATLAB Workspace中。
S500中，所述编写脚本控制文件具体包括：对元器件仿真的不确定性来源进行分析量化，确定元器件具有不确定性的参数概率分布函数并利用蒙特卡洛抽样获得若干组样本，利用MATLAB代码编写脚本控制文件，在脚本控制文件中设置协同仿真时长，利用脚本文件向协同仿真模型中输入不确定性参数样本。采用异步更新的策略对物理场模型和电路模型进行更新，具体为首先设定元器件参数初始值，进行电路仿真确定物理场仿真的边界条件，进而暂停电路仿真开始执行物理场仿真，得到物理场仿真瞬态结果后更新电路仿真的相应响应参数，进而暂停物理场仿真再次开始执行电路仿真，重复以上循环直至达到协同仿真时长。通过定义循环函数控制Simulink自动进行多次的协同仿真。
S600中，所述计算元器件使用可靠度具体包括：根据具体元器件类型选择其失效特征参数并确定其失效阈值。提取失效特征参数蒙特卡洛仿真结果，并对仿真结果进行概率分布函数拟合，通过计算失效特征参数小于失效阈值的概率得到元器件使用可靠度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的目的在于提供一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，通过结合有限元仿真软件COMSOL Multiphysics和电路仿真软件MATLAB/Simulink二者之间的优势，实现了元器件的物理场和电路行为的协同仿真；本发明考虑了元器件电场、热场和力场之间的耦合关系，实现了电、热、力之间的双向耦合，构建了多物理场耦合的元器件高保真模型；本发明综合考虑元器件物理场、电路行为、器件响应三者之间的动态关系，通过蒙特卡洛仿真的方法实现了对器件响应的不确定性量化；本发明通过分析元器件失效特征参数的概率分布函数，计算得到了元器件的使用可靠度，可用于元器件健康状态监测，具有较强的工程实用价值。
(四)附图说明
图1是本发明提供的基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法原理图。
图2是本发明提供的基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法流程图。
图3是本发明实施例提供的电阻元器件多物理场仿真模型示意图。
图4是本发明实施例提供的电阻元器件多物理场协同仿真模型示意图。
图5是本发明实施例提供的异步更新策略示意图。
图6是本发明实施例提供的电阻元器件可靠度计算概率密度分布函数图。
图7是本发明实施例提供的电阻元器件可靠度计算累积概率分布函数图。
(五)具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的目的是提供一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，以实现对元器件的多物理场高保真模型构建，并根据元器件失效特征参数响应不确定性的概率量化结果计算得到元器件使用使用可靠度。
如图1所示，本发明实施例提供的基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法包括：
构建元器件电场、热场和力场等多种物理场耦合的高保真仿真模型，采用场路耦合的方法建立元器件的物理场-电路行为协同仿真模型，综合考虑元器件物理场、电路行为、器件响应三者之间的动态关系，利用蒙特卡洛仿真的方法对器件响应的不确定性进行量化，最终计算得到元器件的使用可靠度。
本发明实施例提供了基于场路耦合协同仿真模型的电阻元器件使用可靠性评估方法，流程图如图2所示，具体包括：
S100：识别电阻元器件物理场-电路协同仿真接口。识别电阻元器件物理场模型和电路模型之间的协同仿真接口，即确定多物理场模型和电路模型中相互影响的参数。电阻元器件在工作时产生的热功率损耗(PR＝I2R)会导致其温度升高，而温度的变化又会影响电阻元器件的材料特性，具体体现为电阻阻值的变化：
Figure BDA0003716857630000031
q＝q0(1+αTR)
其中，L为电阻长度、S为电阻横截面积、q为实际电阻率、q0为材料固有电阻率、α为电阻率的温度系数、TR为电阻温度。由电路模型为物理场模型提供元器件热功率，由物理场模型为电路模型提供元器件温度参数。相应地，电阻元器件物理场-电路协同仿真的接口为电阻热功率和电阻温度，传递函数为电阻阻值随温度变化的方程和电阻热功率损耗方程。
S200：在COMSOL Multiphysics中构建电阻元器件物理场仿真模型。所述电阻元器件物理场模型如图3所示，具体为热-力场仿真模型，仿真方法为有限元分析。
首先利用3D建模软件进行电阻元器件及电阻所在电路板三维模型的绘制，将三维模型导入COMSOL Multiphysics中，在多物理场模型全局定义中定义好涉及到的物理参数，具体包括电阻热功率PR、空气温度Tair、传热系数hair、初始温度T0和空气压力P0，采用广义传热方程对因电阻元器件发热引起的温度场变化进行有限元仿真：
Figure BDA0003716857630000041
Figure BDA0003716857630000042
Figure BDA0003716857630000043
其中，TR为电阻元器件温度、u为位移场、q为傅里叶定律计算的热通量、Q为热功率密度、PR为元器件热损耗功率、V为电阻元器件体积。同时考虑电阻元器件与空气接触面的自然对流散热：
-n·q＝q0
q0＝hair(Tair-T)
其中，hair为空气对流换热系数，Tair为环境温度。设置网格划分贡献项为固体力学、固体传热和热膨胀，并设置多物理场模型为瞬态仿真模型，定义瞬态仿真结果输出步长为range(0,1,10)s，最后保存为.mph文件。
S300：在MATLAB/Simulink中构建电阻元器件电路仿真模型。采用MATLAB/Simulink中的形式化建模方式，构建电阻元器件所在电路行为仿真模型如图4所示，根据电阻元器件实际电路工作环境构建电路模型并定义相关器件的电路参数，将步骤S100所述的电阻元器件物理场-电路协同仿真接口中识别到的电路接口参数“电阻热功率PR”定义为输出变量，物理场接口参数“电阻温度TR”定义为输入变量，受传递函数影响的电路特性“电阻阻值R”定义为函数变量，其他参数如电阻长度L、电阻横截面积S、材料固有电阻率q0、电阻率的温度系数α定义为常数。
S400：通过COMSOL LiveLink构建电阻元器件物理场-电路协同仿真接口。在COMSOL Multiphysics中打开步骤S200所述的电阻元器件物理场仿真模型，根据步骤S100所述的元器件物理场-电路协同仿真接口，在Cosimulation for Simulink窗口中设置输入参数(电阻热功率PR、空气温度Tair、传热系数hair和初始温度T0)和输出参数(电阻温度TR、热膨胀位移SR)，根据具体情况选择储存解的方式为在通信步进结束，最后导出并保存为.fmu文件。从COMSOL Multiphysics 5.6with Simulink中进入Simulink界面，添加COMSOLCosimulation模块，在该模块中导入所述.fmu文件，并与步骤S300所述的电阻元器件电路仿真模型中定义的输入输出进行链接，编写MATLAB函数文件描述传递函数，并以模块化的方式嵌入到电路模型中，完成模型之间双向数据交换，实现物理场-电路行为的协同仿真。进一步，在协同仿真模型中添加out模块，将电阻温度TR、热膨胀位移SR仿真结果输出到MATLAB Workspace中。
S500：编写仿真脚本控制文件，量化仿真参数的不确定性，并进行蒙特卡洛仿真。电阻元器件的不确定性来源于空气对流系数hair和环境温度Tair，利用MATLAB代码编写脚本控制文件，对具有不确定性的物理参数通过概率分布函数进行量化：hair～U(1,20)、Tair～N(25,52),并利用蒙特卡洛抽样获取30组物理场边界条件输入样本。在脚本控制文件中设置协同仿真时长为150s，仿真步长为5s，每一次协同仿真中利用脚本文件向协同仿真模型中输入一组物理场边界条件样本。如图5所示，采用异步更新的策略对物理场模型和电路模型进行更新，具体为首先设定元器件初始温度，进行电路仿真确定物理场仿真的边界条件，进而暂停电路仿真开始执行物理场仿真，得到物理场仿真瞬态结果后更新电路仿真的温度参数，进而暂停物理场仿真再次开始执行电路仿真，重复以上循环直至达到协同仿真时长。通过定义循环函数控制Simulink自动进行30次的协同仿真。
S600：根据蒙特卡洛仿真输出结果，计算电阻元器件使用可靠度。影响元器件可靠性的最关键因素之一是其在工作过程中产生的热循环效应，热膨胀位移SR是指电阻元器件焊点在热循环应力作用下发生的体积形变，在其达到一定阈值后，可以视作电阻发生故障失效。将热膨胀位移SR作为元器件失效特征参数，确定其失效阈值为1.1E-08m。提取热膨胀位移批量仿真结果，并对步骤S500中得到的30次批量仿真结果进行正态分布拟合。进一步，如图6、图7所示，通过计算热膨胀位移小于阈值的概率得到电阻元器件发热在逐渐达到稳态过程中的共计30次动态使用可靠度计算结果如表1所示。
表1电阻元器件动态使用可靠度
Figure BDA0003716857630000051

Claims (8)

1.一种基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，其特征在于，所述基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法包括：
构建元器件电场、热场和力场等多种物理场耦合的高保真仿真模型，采用场路耦合的方法建立元器件的物理场-电路行为协同仿真模型，综合考虑元器件物理场、电路行为、器件响应三者之间的动态关系，利用蒙特卡洛仿真的方法对器件响应的不确定性进行量化，最终根据不确定性量化结果计算得到元器件的使用可靠度。
2.根据权利要求1所述的基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：识别元器件物理场-电路协同仿真接口；
S200：在COMSOL Multiphysics中构建元器件物理场仿真模型；
S300：在MATLAB/Simulink中构建元器件电路仿真模型；
S400：通过COMSOL LiveLink构建物理场-电路协同仿真接口；
S500：编写仿真脚本控制文件，量化仿真参数的不确定性，并进行蒙特卡洛仿真；
S600：根据蒙特卡洛仿真输出结果，计算元器件使用可靠度。
3.根据权利要求2所述的基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，其特征在于：在S100所述“识别元器件物理场-电路协同仿真接口”中，要求确定元器件多物理场仿真模型和电路仿真模型之间相互影响的参数，具体为：
根据具体元器件工作时涉及到的物理场、电路环境和器件响应原理，确定多物理场仿真模型和电路仿真模型中相互作用的物理参数，所述相互作用物理参数即为协同仿真的接口，相应地，物理参数之间相互作用的方式为接口对应的传递函数。例如，功率元器件在工作时产生的热功率损耗会导致其温度升高，温度的变化又会影响元器件的材料特性，导致其电路特性改变进而影响其电路行为。在本例中，协同仿真接口为热功率、器件温度，由电路模型为物理场模型提供元器件热功率参数，由物理场模型为电路模型提供元器件结温或壳温参数；传递函数为器件电路特性随温度变化的函数。
4.根据权利要求2所述的基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，其特征在于：在S200所述“在COMSOL Multiphysics中构建元器件物理场仿真模型”中，要求建立元器件多物理场仿真模型，具体为：
首先利用3D建模软件进行元器件及器件所在电路板三维模型的绘制，将三维模型导入COMSOL Multiphysics中，根据权利要求3所述的元器件物理场-电路协同仿真接口，在多物理场模型全局定义中定义好涉及到的物理参数，根据具体涉及的物理场定义网格划分贡献项，并设置多物理场模型为瞬态仿真模型，定义瞬态仿真结果输出步长，最后保存为.mph文件。
5.根据权利要求2所述的场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，其特征在于：在S300所述“在MATLAB/Simulink中构建元器件电路仿真模型”中，要求根据元器件所在电路环境构建元器件电路仿真模型，具体为：
采用MATLAB/Simulink中的形式化建模方式，构建元器件所在电路行为仿真模型，根据元器件实际电路工作环境构建电路模型并定义相关器件的电路参数，将权利要求3所述的元器件物理场-电路协同仿真接口中识别到的电路接口参数定义为输出变量，物理场接口参数定义为输入变量，受传递函数影响的电路特性定义为函数变量，其他参数定义为常数。
6.根据权利要求2所述的基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，其特征在于：在S400所述“通过COMSOL LiveLink构建物理场-电路协同仿真接口”中，要求在元器件物理场模型和电路模型中分别添加协同仿真接口，具体为：
在COMSOL Multiphysics中打开权利要求4所述的元器件物理场仿真模型，根据权利要求3所述的元器件物理场-电路协同仿真接口，在Cosimulation for Simulink窗口中设置输入参数和输出参数，选择储存解的方式为在通信步进结束，最后导出并保存为.fmu文件。
从COMSOL Multiphysics 5.6 with Simulink中进入Simulink界面，添加COMSOLCosimulation模块，在该模块中导入所述.fmu文件，并与权利要求5所述的电路仿真模型中定义的输入输出进行链接，编写MATLAB函数文件描述传递函数，并以模块化的方式嵌入到电路模型中，完成模型之间双向数据交换，实现物理场-电路行为的协同仿真。
7.根据权利要求2所述的基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，其特征在于：在S500所述“编写仿真脚本控制文件，量化仿真参数的不确定性，并进行蒙特卡洛仿真”中，要求分析元器件仿真不确定性来源并对其分布类型进行量化，进而编写脚本多次调用权利要求6所述的协同仿真模型进行蒙特卡洛仿真，具体为：
确定元器件具有不确定性的参数概率分布函数并利用蒙特卡洛抽样获得若干组样本，利用MATLAB代码编写脚本控制文件，在脚本控制文件中设置协同仿真时长，利用脚本文件向协同仿真模型中输入不确定性参数样本。采用异步更新的策略对物理场模型和电路模型进行更新，具体为首先设定元器件参数初始值，进行电路仿真确定物理场仿真的边界条件，进而暂停电路仿真开始执行物理场仿真，得到物理场仿真瞬态结果后更新电路仿真的相应响应参数，进而暂停物理场仿真再次开始执行电路仿真，重复以上循环直至达到协同仿真时长。通过定义循环函数控制Simulink自动进行多次的协同仿真。
8.根据权利要求2所述的基于场路耦合协同仿真模型的元器件使用可靠性评估方法，其特征在于：在S600所述“根据蒙特卡洛仿真输出结果，计算元器件使用可靠度”中，要求根据仿真输出样本，计算元器件使用可靠度，具体为：
根据具体元器件类型选择其失效特征参数并确定其失效阈值。提取失效特征参数蒙特卡洛仿真结果，并对仿真结果进行概率分布函数拟合，通过计算失效特征参数小于失效阈值的概率得到元器件使用可靠度。
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CN115510718A (zh) * 2022-10-17 2022-12-23 哈尔滨工业大学 一种基于多模型协同的数模混合电路设备可靠性预计方法

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