CN116562101B - 压接型igbt应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置 - Google Patents

压接型igbt应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及功率半导体技术领域，公开了一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置。通过对IGBT芯片最大应力和典型应力建立目标和约束的性能函数，考虑服役周期内应力平衡可靠性劣化构建时变可靠性优化模型，可以得到满足服役周期内可靠性要求的最优解，并且本发明方法步骤清晰，易于工程人员掌握并应用。从而提高了求解效率。

Description

压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置
技术领域
本发明涉及功率半导体技术领域，具体而言，涉及一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(insulate-gate bipolar transistor，IGBT)作为典型的一类全控型电压驱动式功率半导体器件，已广泛应用于交通牵引、工业变频器及柔性直流输电等高压大容量电力电子领域。与传统焊接型IGBT相比，压接型IGBT具有双面散热、易于串联及可靠性高等优点，在高压、高功率密度应用中前景更佳。压接型IGBT器件通过外部压力使内部元件保持电气与机械连接，并在冷板与热源之间建立导热通路。压力过大会导致IGBT芯片碎裂，而压力过小会使得元件间接触热阻增大，芯片产生的热耗不能及时导出，最终导致芯片热失效。然而，芯片自发热及各元件材料热膨胀系数失配会导致IGBT内部应力失衡，元件间接触应力将决定其电气及热接触状况，从而造成电气性能劣化，进一步加剧温度、应力分布失衡状况。在实际工程中，IGBT的电流载荷随系统状态实时变化，系统中分布式电源和负荷是具有一定统计规律并伴有随机噪声的动态过程，工程上常采用随机过程进行描述。包含随机过程的电流载荷导致IGBT内部元件承受不断变化的电热应力，数值较大的内应力会造成元件累积损伤，从而大幅降低IGBT器件在服役期间的性能可靠性。所以，有必要研究涉及随机过程的IGBT应力平衡时变可靠性优化方法。
为提升压接型IGBT性能可靠性，研究者从失效机理、封装设计、可靠性分析、寿命预测等多个方面探索，已形成一系列重要的理论和技术。失效机理研究聚焦于IGBT多物理场耦合建模，如一种压接型IGBT器件微动磨损失效演化的数值模拟方法(CN202011478877.3)、一种压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法(CN20191050194.7)、模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法(CN20171115832.9)。封装设计研究大都提出新的结构构型或实施结构尺寸优化，如一种子模块结构和压接式功率模块(CN20211153983.2)、一种用于压接式IGBT模块的弹性多孔结构电极(CN20181001339.1)、一种压接式IGBT器件结构优化设计方法(CN20191111632.4)。可靠性分析研究主要考虑失效模式串并联及相关性特征，如基于Copula函数的模块化多电平换流器可靠性分析方法(CN201910451018.6)、一种计及内部材料疲劳寿命的压接式IGBT器件可靠性计算方法(CN201810008176.X)、一种基于ANSYS的MMC子模块压接式IGBT短期失效分析方法(CN20191130480.6)。寿命预测研究关注故障出现后IGBT的剩余服役时间，如一种压接型IGBT模块不同位置故障下芯片寿命预测方法(CN202210833664.0)、一种高压直流新路器用压接式IGBT器件使用寿命等效计算方法(CN20221102368.2)、一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法(CN20191039948.2)。
上述研究表明，压接型IGBT可靠性设计已引起了学术界和工程界的广泛关注。但对如何处理载荷和工况中的时变不确定性并构建有效压接型IGBT时变可靠性优化模型的研究存在不足。究其原因，关键技术难点是求解效率问题。时变可靠性优化涉及双层嵌套寻优过程：外层对设计变量寻优，内层是时变可靠性分析。而时变可靠性分析本就是不确定性设计领域颇具挑战性的问题，其计算成本远超于静态可靠性分析。而嵌套优化需大数量的调用时变稳健性分析，对于耗时仿真嵌入的IGBT时变可靠性优化，将导致极为低下的求解效率。
为此，针对压接型IGBT器件结构设计，构建有效的时变可靠性优化模型，对于提升IGBT设计水平并开发服役周期内可靠的压接型IGBT产品，具有非常重要的工程意义。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法及装置，以解决现有技术中求解效率较低的问题。
为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法，所述方法包括：
步骤(1)构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型；
其中，步骤(1)构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型，包括：
步骤(1.1)基于IGBT选取设计向量，其中，所述IGBT包含n个子模组、集电极、发射极、管壳，n具有n/4是一个整数的特征，所述n个子模组中第i子模组包括元件：第i个上钼片、第i个芯片、第i个银片、第i个下钼片，i表示1至n中任一个的序号，所述第i个银片的等效弹性模量记为Xi，Xi与边长、材料弹性模量之间的关系为：Li＝L0·sqrt(Xi/E0)，Li表示第i个银片的边长，L0表示第i个芯片的边长，E0表示材料弹性模量，sqrt表示平方根计算，所述选取设计向量包括选取等效弹性模量Xi组成的设计向量X＝(X1,X2,...,Xi,...,Xn)为设计向量；
步骤(1.2)建立设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)，f表示目标函数，ST(X,Ui)表示ST(X,P(t))的名义值，SU(X,Ui)表示SU(X,P(t))的名义值，Ui是U1,U2,...,Ui,...,Un述组成的向量，其中，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与参数向量P(t)的函数，t表示服役周期[t0,te]的任一时刻，写成t0表示所述服役周期的起始时刻，te表示所述服役周期的结束时刻，所述参数向量P(t)用于表征服役周期内芯片的热耗；
步骤(1.3)建立约束，所述约束包括B1 T≥B1 t、B2 T≥B2 t，B1 t表示最大应力约束的目标可靠性指标，B2 t表示典型应力约束的目标可靠性指标，B1 T表示最大应力约束时变可靠性指标，B2 T表示典型应力约束时变可靠性指标；
步骤(1.4)构造应力平衡时变可靠性优化模型，即式一：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
max表示最大化计算，s.t.表示约束计算，Xi L表示Xi的下边界，Xi R表示Xi的上边界，Xi L和Xi R根据工程经验给定，Xi L的取值范围为[0.1E0，0.4E0]，Xi R的取值范围为[0.5E0,E0]。
可选地，所述步骤(1.2)，包括：
(1.2.1)建立参数向量P(t)＝(P1(t),P2(t),...,Pi(t),...,Pn(t))，Pi(t)是所述参数向量的第i个元素，是指所述第i个芯片的热耗，Pi(t)被描述成具有分布参数Ui、Vi、Ri的随机过程，Ui是Pi(t)的均值，Vi是Pi(t)的标准差，Ri(τ)是Pi(t)的自相关函数，τ表示时间间隔；
(1.2.2)定义性能函数，所述性能函数包括SU(X,P(t))、ST(X,P(t))，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与所述参数向量P(t)的函数；
(1.2.3)构造设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)。
可选地，所述最大应力约束时变可靠性指标B1 T表示为：B1 T＝N-1(Pr(g1≥0))，所述典型应力约束时变可靠性指标B2 T表示为B2 T＝N-1(Pr(g2≥0))；
其中，N-1表示标准正态累积分布函数求逆计算，Pr表示概率计算，g1表示最大应力约束函数，g1＝SU t-SU(X,P(t))，g2表示典型应力约束函数，g2＝ST(X,P(t))-ST t，SU t表示芯片应力阈值，ST t表示热接触应力阈值。
可选地，所述方法还包括：
步骤(2)构建所述应力平衡时变可靠性优化模型的解耦方法，所述步骤(2)，包括：
步骤(2.1)建立所述性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))；
步骤(2.2)更新所述应力平衡时变可靠性优化模型，即所述式一更新为：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
步骤(2.3)求解初始化，包括设置k＝0、X(0)＝E0、c1 (0)＝1、c2 (0)＝1、m，k表示迭代步序号，X(0)表示初始解，E0是由n/4个E0组成的向量，c1 (0)表示最大应力安全系数初始值，c2 (0)表示典型应力安全系数初始值，m表示离散数，m取值范围为[10,30]；
步骤(2.4)实施静态可靠性优化，即求解式二：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 (k)≥c1 (0)·B1 t,B2 (k)≥c2 (0)·B2 t
B1 (k)＝N-1(Pr(SU t-SU(X,PS)≥0)),B2 (k)＝N-1(Pr(ST(X,PS)-ST t)≥0))
Xi L≤Xi≤Xi R,i＝1,2,...,n/4；
其中，B1 (k)是指最大应力约束的静态可靠性指标，B2 (k)是指典型应力约束的静态可靠性指标，PS是由包含n/4个随机变量组成的向量，第i个随机变量的分布参数为Ui、Vi，求解所述式二，得到X(k)、PM1 (k)、PM2 (k)、▽g1(X(k),PM1 (k))、▽g2(X(k),PM2 (k))、B1 (k)、B2 (k)、f(k)，X(k)表示第k迭代步的解，PM1 (k)表示对g1的最大可能性点，PM2 (k)表示对g2的最大可能性点，所述最大可能性点具有最大联合概率密度，▽g1(X(k),PM1 (k))表示g1在PM1 (k)处的梯度向量，▽g2(X(k),PM2 (k))表示g2在PM2 (k)处的梯度向量，f(k)表示第k迭代步的目标函数值；
步骤(2.5)服役周期离散化，是指将所述服役周期[t0,te]离散成m个相等的时段单元，tj表示第j个时段单元；
步骤(2.6)计算相关系数矩阵，所述相关系数矩阵包括L1 (k)相关系数矩阵和L2 (k)相关系数矩阵，L1 (k)表示最大应力约束的近似函数，L2 (k)表示典型应力约束的近似函数；
步骤(2.7)计算安全系数，所述安全系数包括第k+1迭代步的最大应力安全系数c1 (k+1)和第k+1迭代步的地形应力安全系数c2 (k)，其中，所述安全系数根据所述相关系数矩阵求解得到；
步骤(2.8)实施时变可靠性分析，流程包括：
(2.8.1)计算B1 T(k)，是指B1 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))。B1 T(k)表示第k迭代步的最大应力约束时变可靠性指标；
(2.8.2)计算B2 T(k)，是指B2 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))。B2 T(k)表示第k迭代步的典型应力约束时变可靠性指标；
步骤(2.9)判断是否收敛，如收敛则计算结束，输出X(*)＝X(k)、f*＝f(k)、B1 T*＝B1 T (k)、B2 T*＝B2 T(k)；如不收敛，则设定k＝k+1，并执行所述步骤(2.4)；其中，X(*)表示最优解，f*表示最优解的目标函数，B1 T*表示最优解的最大应力约束时变可靠性指标，B2 T*表示最优解的典型应力约束时变可靠性指标。
可选地，所述步骤(2.1)，包括：
(2.1.1)建立坐标系，以所述发射极下表面的中心点为原点、所述发射极下表面的法向为Z方向、所述发射极下表面的两个对称轴为X方向和Y方向，建立笛卡尔坐标系；
(2.1.2)建立1/4有限元模型，包括有限元结构、材料参数、边界条件、相互作用、载荷、求解器，所述有限元结构对应由XZ平面、YZ平面对所述IGBT包络得到的90°扇形区域，包括集电极块、发射极块、以及n/4个子模组块。所述n/4个子模组块中的第i个子模组块包含第i上钼片块、第i芯片块、第i银片块、第i下钼片块，i＝1,2,...,n/4，第i银片块的弹性模量是指等效弹性模量Xi，所述边界条件是指对发射极块下表面建立固支边界条件，对所述XZ平面建立所述Y方向对称边界条件，对所述YZ平面建立所述X方向对称边界条件，所述相互作用是指在所述发射极块下表面和所述集电极块上表面建立包含CT、TS的热交换条件，CT是热交换系数，Ts是热沉温度，所述载荷是指在所述集电极块上表面施加F，F表示均布夹紧力，对第i个芯片施加Pi(t)，求解器是指商业有限元分析软件提供的温度-位移稳态求解器；
(2.1.3)构造性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))，是指对于特定的(X,P(t))，采用所述求解器对所述有限元模型求解，得到所述n/4个芯片块的应力分布响应，从中提取SU(X,P(t))和ST(X,P(t))。
可选地，所述步骤(2.6)，包括：
(2.6.1)构造近似函数：L1 (k)、L2 (k)，所述最大应力约束的近似函数L1 (k)表示为：L1 (k)＝g1(X(k),PM1 (k))+TR(P-PM1 (k))·▽g1(X(k),PM1 (k))，所述典型应力约束的近似函数L2 (k)表示为：L2 (k)＝g2(X(k),PM2 (k))+TR(P-PM2 (k))·▽g2(X(k),PM2 (k))，TR表示矩阵转置运算；
(2.6.2)计算L1 (k)相关系数矩阵，写成R1 (k)，是指计算R1,i (k)，R1,i (k)表示R1 (k)的第i个元素，写成：R1,i (k)＝sum((▽g1,i)2·Ri(τ))/(std(L1 (k)))2。R1,i (k)，i＝1,2,3,4组成R1 (k)。sum表示求和计算，std表示标准差计算；
(2.6.3)计算L2 (k)相关系数矩阵，写成R2 (k)，是指计算R2,i (k)，R2,i (k)表示R2 (k)的第i个元素，写成：R2,i (k)＝sum((▽g2,i)2·Ri(τ))/(std(L2 (k)))2，R2,i (k)，i＝1,2,3,4组成R2 (k)。
可选地，所述步骤(2.7)，包括：
(2.7.1)计算c1 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c1 (k+1)·B1 (k),c1 (k+1)·B1 (k),...,c1 (k+1)·B1 (k),R1 (k)))＝B1 t
得到c1 (k+1)，Nm表示m维标准正态分布函数计算；
(2.7.2)计算c2 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c2 (k+1)·B2 (k),c2 (k+1)·B2 (k),...,c2 (k+1)·B2 (k),R2 (k)))＝B2 t
得到c2 (k)。
可选地，所述元件均为正方形薄片，所述n个子模组平行对称布置于集电极和发射极之间，在所述集电极和所述发射极的夹持下装入管壳，外部夹持装置对所述集电极和所述发射极施加夹紧力，以保持所述元件间的电气和热接触，所述集电极的上表面与所述发射极的下表面设置液冷装置以保持所述IGBT的良好散热，所述n个银片被用以缓解应力失衡的程度。
第二方面，本发明实施例提供了一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计装置，所述装置包括：
第一构建模块，用于构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型；
其中，第一构建模块包括：
选取子模块，用于基于IGBT选取设计向量，其中，所述IGBT包含n个子模组、集电极、发射极、管壳，n具有n/4是一个整数的特征，所述n个子模组中第i子模组包括元件：第i个上钼片、第i个芯片、第i个银片、第i个下钼片，i表示1至n中任一个的序号，所述第i个银片的等效弹性模量记为Xi，Xi与边长、材料弹性模量之间的关系为：Li＝L0·sqrt(Xi/E0)，Li表示第i个银片的边长，L0表示第i个芯片的边长，E0表示材料弹性模量，sqrt表示平方根计算，所述选取设计向量包括选取等效弹性模量Xi组成的设计向量X＝(X1,X2,...,Xi,...,Xn)为设计向量；
第一建立子模块，用于建立设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)，f表示目标函数，ST(X,Ui)表示ST(X,P(t))的名义值，SU(X,Ui)表示SU(X,P(t))的名义值，Ui是U1,U2,...,Ui,...,Un述组成的向量，其中，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与参数向量P(t)的函数，t表示服役周期[t0,te]的任一时刻，写成t0表示所述服役周期的起始时刻，te表示所述服役周期的结束时刻，所述参数向量P(t)用于表征服役周期内芯片的热耗；
第二建立子模块，用于建立约束，所述约束包括B1 T≥B1 t、B2 T≥B2 t，B1 t表示最大应力约束的目标可靠性指标，B2 t表示典型应力约束的目标可靠性指标，B1 T表示最大应力约束时变可靠性指标，B2 T表示典型应力约束时变可靠性指标；
构造子模块，用于构造应力平衡时变可靠性优化模型，即式一：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
max表示最大化计算，s.t.表示约束计算，Xi L表示Xi的下边界，Xi R表示Xi的上边界，Xi L和Xi R根据工程经验给定，Xi L的取值范围为[0.1E0，0.4E0]，Xi R的取值范围为[0.5E0,E0]。
可选地，所述第一建立子模块，包括：
第一建立单元，用于建立参数向量P(t)＝(P1(t),P2(t),...,Pi(t),...,Pn(t))，Pi(t)是所述参数向量的第i个元素，是指所述第i个芯片的热耗，Pi(t)被描述成具有分布参数Ui、Vi、Ri的随机过程，Ui是Pi(t)的均值，Vi是Pi(t)的标准差，Ri(τ)是Pi(t)的自相关函数，τ表示时间间隔；
定义单元，用于定义性能函数，所述性能函数包括SU(X,P(t))、ST(X,P(t))，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与所述参数向量P(t)的函数；
构建单元，用于构造设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)。
可选地，所述最大应力约束时变可靠性指标B1 T表示为：B1 T＝N-1(Pr(g1≥0))，所述典型应力约束时变可靠性指标B2 T表示为B2 T＝N-1(Pr(g2≥0))；
其中，N-1表示标准正态累积分布函数求逆计算，Pr表示概率计算，g1表示最大应力约束函数，g1＝SU t-SU(X,P(t))，g2表示典型应力约束函数，g2＝ST(X,P(t))-ST t，SU t表示芯片应力阈值，ST t表示热接触应力阈值。
可选地，所述装置还包括：
第二构建模块，用于构建所述应力平衡时变可靠性优化模型的解耦方法，所述第二构建模块包括：
第三建立子模块，用于建立所述性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))；
更新子模块，用于更新所述应力平衡时变可靠性优化模型，即所述式一更新为：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
求解子模块，用于求解初始化，包括设置k＝0、X(0)＝E0、c1 (0)＝1、c2 (0)＝1、m，k表示迭代步序号，X(0)表示初始解，E0是由n/4个E0组成的向量，c1 (0)表示最大应力安全系数初始值，c2 (0)表示典型应力安全系数初始值，m表示离散数，m取值范围为[10,30]；
第一实施子模块，用于实施静态可靠性优化，即求解式二：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 (k)≥c1 (0)·B1 t,B2 (k)≥c2 (0)·B2 t
B1 (k)＝N-1(Pr(SU t-SU(X,PS)≥0)),B2 (k)＝N-1(Pr(ST(X,PS)-ST t)≥0))
Xi L≤Xi≤Xi R,i＝1,2,...,n/4；
其中，B1 (k)是指最大应力约束的静态可靠性指标，B2 (k)是指典型应力约束的静态可靠性指标，PS是由包含n/4个随机变量组成的向量，第i个随机变量的分布参数为Ui、Vi，求解所述式二，得到X(k)、PM1 (k)、PM2 (k)、▽g1(X(k),PM1 (k))、▽g2(X(k),PM2 (k))、B1 (k)、B2 (k)、f(k)，X(k)表示第k迭代步的解，PM1 (k)表示对g1的最大可能性点，PM2 (k)表示对g2的最大可能性点，所述最大可能性点具有最大联合概率密度，▽g1(X(k),PM1 (k))表示g1在PM1 (k)处的梯度向量，▽g2(X(k),PM2 (k))表示g2在PM2 (k)处的梯度向量，f(k)表示第k迭代步的目标函数值；
离散子模块，用于服役周期离散化，是指将所述服役周期[t0,te]离散成m个相等的时段单元，tj表示第j个时段单元；
第一计算子模块，用于计算相关系数矩阵，所述相关系数矩阵包括L1 (k)相关系数矩阵和L2 (k)相关系数矩阵，L1 (k)表示最大应力约束的近似函数，L2 (k)表示典型应力约束的近似函数；
第二计算子模块，用于计算安全系数，所述安全系数包括第k+1迭代步的最大应力安全系数c1 (k+1)和第k+1迭代步的地形应力安全系数c2 (k)，其中，所述安全系数根据所述相关系数矩阵求解得到；
第二实施子模块，用于实施时变可靠性分析，所述第二实施子模包括：
第一计算单元，用于计算B1 T(k)，是指B1 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))，B1 T(k)表示第k迭代步的最大应力约束时变可靠性指标；
第二计算单元，用于计算B2 T(k)，是指B2 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))，B2 T(k)表示第k迭代步的典型应力约束时变可靠性指标；
判断单元，用于判断是否收敛，如收敛则计算结束，输出X(*)＝X(k)、f*＝f(k)、B1 T*＝B1 T(k)、B2 T*＝B2 T(k)；如不收敛，则设定k＝k+1，并执行所述实施静态可靠性优化；其中，X(*)表示最优解，f*表示最优解的目标函数，B1 T*表示最优解的最大应力约束时变可靠性指标，B2 T*表示最优解的典型应力约束时变可靠性指标。
可选地，所述第三建立子模块包括：
第二建立单元，用于建立坐标系，以所述发射极下表面的中心点为原点、所述发射极下表面的法向为Z方向、所述发射极下表面的两个对称轴为X方向和Y方向，建立笛卡尔坐标系；
第三建立单元，用于建立1/4有限元模型，包括有限元结构、材料参数、边界条件、相互作用、载荷、求解器，所述有限元结构对应由XZ平面、YZ平面对所述IGBT包络得到的90°扇形区域，包括集电极块、发射极块、以及n/4个子模组块，所述n/4个子模组块中的第i个子模组块包含第i上钼片块、第i芯片块、第i银片块、第i下钼片块，i＝1,2,...,n/4，第i银片块的弹性模量是指等效弹性模量Xi，所述边界条件是指对发射极块下表面建立固支边界条件，对所述XZ平面建立所述Y方向对称边界条件，对所述YZ平面建立所述X方向对称边界条件，所述相互作用是指在所述发射极块下表面和所述集电极块上表面建立包含CT、TS的热交换条件，CT是热交换系数，Ts是热沉温度，所述载荷是指在所述集电极块上表面施加F，F表示均布夹紧力，对第i个芯片施加Pi(t)，求解器是指商业有限元分析软件提供的温度-位移稳态求解器；
第一构造单元，用于构造性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))，是指对于特定的(X,P(t))，采用所述求解器对所述有限元模型求解，得到所述n/4个芯片块的应力分布响应，从中提取SU(X,P(t))和ST(X,P(t))。
可选地，所述第一计算子模块包括：
第二构造单元，用于构造近似函数：L1 (k)、L2 (k)，所述最大应力约束的近似函数L1 (k)表示为：L1 (k)＝g1(X(k),PM1 (k))+TR(P-PM1 (k))·▽g1(X(k),PM1 (k))，所述典型应力约束的近似函数L2 (k)表示为：L2 (k)＝g2(X(k),PM2 (k))+TR(P-PM2 (k))·▽g2(X(k),PM2 (k))，TR表示矩阵转置运算；
第三计算单元，用于计算L1 (k)相关系数矩阵，写成R1 (k)，是指计算R1,i (k)，R1,i (k)表示R1 (k)的第i个元素，写成：R1,i (k)＝sum((▽g1,i)2·Ri(τ))/(std(L1 (k)))2，R1,i (k)，i＝1,2,3,4组成R1 (k)，sum表示求和计算，std表示标准差计算；
第四计算单元，用于计算L2 (k)相关系数矩阵，写成R2 (k)，是指计算R2,i (k)，R2,i (k)表示R2 (k)的第i个元素，写成：R2,i (k)＝sum((▽g2,i)2·Ri(τ))/(std(L2 (k)))2，R2,i (k)，i＝1,2,3,4组成R2 (k)。
可选地，所述第二计算子模块包括：
第五计算单元，用于计算c1 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c1 (k+1)·B1 (k),c1 (k+1)·B1 (k),...,c1 (k+1)·B1 (k),R1 (k)))＝B1 t
得到c1 (k+1)，Nm表示m维标准正态分布函数计算；
第六计算单元，用于计算c2 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c2 (k+1)·B2 (k),c2 (k+1)·B2 (k),...,c2 (k+1)·B2 (k),R2 (k)))＝B2 t
得到c2 (k)。
可选地，所述元件均为正方形薄片，所述n个子模组平行对称布置于集电极和发射极之间，在所述集电极和所述发射极的夹持下装入管壳，外部夹持装置对所述集电极和所述发射极施加夹紧力，以保持所述元件间的电气和热接触，所述集电极的上表面与所述发射极的下表面设置液冷装置以保持所述IGBT的良好散热，所述n个银片被用以缓解应力失衡的程度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
首先适用性方面，与基于静态可靠性优化方法不同，本发明方法考虑了服役周期内应力平衡可靠性劣化，建立了压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型，可以得到满足服役周期内可靠性要求的最优解。再次易用性方面，本发明方法步骤清晰，易于工程人员掌握并应用。
附图说明
图1示出了本发明具体应用实例的流程示意图。
图2示出了本发明具体应用实例中IGBT的结构图。
图3示出了本发明具体应用实例中IGBT有限元模型。
图4示出了本发明具体应用实例中最优解处的应力响应。
图5示出了本发明具体应用实例中优化求解迭代过程。
附图标记：201、第1子模组；202、第2子模组；203、第3子模组；204、第4子模组；205、第5子模组；206、第6子模组；207、第7子模组；208、第8子模组；209、第1子模组；210、第10子模组；211、第11子模组；212、第12子模组；213、第13子模组；214、第14子模组；215、第15子模组；216、第16子模组；集电极217、；发射极218、；219、第1法兰；220、第2法兰；221、管壳；222、电路板；223、第1绝缘垫；224、第2绝缘垫；225、第3绝缘垫；226、第4绝缘垫；2011、第1上钼片；2012、第1芯片；2013、第1银片；2014、第1下钼片；300、坐标系；301、第1子模组块；302、第2子模组块；303、第3子模组块；304第4子模组块；305、集电极块；306、发射极块；3021、第2上钼片块；3022、第2芯片块；3023、第2银片块；3024、第2下钼片块；3051、集电极块上表面；3061、发射极块下表面。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。
如图1所示，本发明提供了一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法，该方法包括以下处理步骤。
步骤(1)构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型；
在所述步骤(1)中，构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型的流程为：
步骤(1.1)基于IGBT选取设计向量。如图2所示，本实施例中IGBT包含16个子模组(201-216)、集电极217、发射极218、第1法兰219、第2法兰220、管壳221、电路板222、第1绝缘垫223、第2绝缘垫224、第3绝缘垫225、第4绝缘垫226。所述16个子模组(201-216)为第1子模组201、第2子模组202、...、第i子模组20i、...、第16子模组216，i表示所述n个子模组的序号。所述16个子模组具有共同的结构，第i子模组(i＝1,2,...,16)包括元件：第i上钼片20i1、第i芯片20i2、第i银片20i3、第i下钼片20i4。图2仅标记第1子模组的元件。即所述IGBT包含16个上钼片、16个芯片、16个银片、16个下钼片。所述元件均为正方形薄片，本实施例中正方形边长为9mm×9mm。所述16个子模组平行对称布置于集电极和发射极之间，在其夹持下装入管壳。外部夹持装置对所述集电极和所述发射极施加夹紧力，以保持所述元件间的电气和热接触。所述集电极的上表面与所述发射极的下表面设置液冷装置以保持所述IGBT的良好散热。所述IGBT工作时，所述16个芯片自发热导致内部温度不均。在温度不均及所述元件材料热膨胀失配的综合作用下，所述16个芯片上的应力会失衡。所述16个银片被用以缓解应力失衡的程度。所述第i个银片的等效弹性模量记为Xi，Xi与边长、材料弹性模量之间的关系为：Li＝L0·sqrt(Xi/E0)。Li表示第i个银片的边长，L0表示第i个芯片的边长，E0表示材料弹性模量。sqrt表示平方根计算。所述选取设计向量是指选取等效弹性模量Xi组成的向量X＝(X1,X2,...,Xi,...,X16)为设计向量。
步骤(1.2)建立设计目标。所述建立设计目标的流程为：
(1.2.1)建立参数向量P(t)＝(P1(t),P2(t),...,Pi(t),...,P16(t))。Pi(t)是所述参数向量的第i个元素，是指所述第i个芯片的热耗。Pi(t)被描述成具有分布参数Ui、Vi、Ri的随机过程。t表示服役周期[t0,te]的任一时刻，写成t0表示所述服役周期的起始时刻，本实施例中t0＝0小时，te表示所述服役周期的结束时刻，本实施例中te＝24小时。Ui是Pi(t)的均值，Vi是Pi(t)的标准差，Ri(τ)是Pi(t)的自相关函数，τ表示时间间隔。所述随机参数向量其他元素的描述类似，如U1是P1(t)的均值，V1是P1(t)的标准差，R1(τ)是P1(t)的自相关函数。本实施例中，Ui、Vi、Ri如表1。
表1
(1.2.2)定义性能函数。所述性能函数包括SU(X,P(t))、ST(X,P(t))。SU(X,P(t))是所述IGBT的芯片典型应力，即所述16个芯片中每一芯片中心点应力的最小值。ST(X,P(t))是所述IGBT的芯片最大应力，即所述16个芯片的最大应力。SU(X,P(t))和ST(X,P(t))是关于所述设计向量X与所述参数向量P(t)的函数。
(1.2.3)构造设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)。f表示目标函数，ST(X,Ui)表示ST(X,P(t))的名义值，SU(X,Ui)表示SU(X,P(t))的名义值。Ui是U1,U2,...,Ui,...,U16述组成的向量。
步骤(1.3)建立约束。约束包括B1 T≥B1 t、B2 T≥B2 t。B1 t表示最大应力约束的目标可靠性指标，本实施例中B1 t＝2.5。B2 t表示典型应力约束的目标可靠性指标，本实施例中B2 t＝2.5。B1 T表示最大应力约束时变可靠性指标，写成：B1 T＝N-1(Pr(g1≥0))。B2 T表示典型应力约束时变可靠性指标，写成：B2 T＝N-1(Pr(g2≥0))。N-1表示标准正态累积分布函数求逆计算。Pr表示概率计算。g1表示最大应力约束函数，即g1＝SU t-SU(X,P(t))，其物理意义是所述芯片最大应力应小于SU t，以避免结构开裂隐患。g2表示典型应力约束函数，即g2＝ST(X,P(t))-ST t，其物理意义是所述芯片典型应力应大于ST t，以保证热接触。SU t表示芯片应力阈值，ST t表示热接触应力阈值，本实施例中SU t＝78MPa、ST t＝5MPa。
步骤(1.4)构造应力平衡时变可靠性优化模型，即式一：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
max表示最大化计算。s.t.表示约束计算。Xi L表示Xi的下边界，Xi R表示Xi的上边界。Xi L和Xi R根据工程经验给定，Xi L的取值为0.2E0，Xi R的取值为E0。
步骤(2)构建所述时变可靠性优化模型的解耦方法。
在所述步骤(2)中，所述时变可靠性优化模型的解耦方法的流程为：
步骤(2.1)建立所述性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))，流程为：
(2.1.1)建立坐标系300，是指以所述发射极下表面的中心点为原点、所述发射极下表面的法向为Z方向、所述发射极下表面的两个对称轴为X方向和Y方向，建立笛卡尔坐标系。
(2.1.2)建立1/4有限元模型30，包括有限元结构、材料参数、边界条件、相互作用、载荷、求解器。如图3所示，所述有限元结构对应由XZ平面、YZ平面对所述IGBT包络得到的90°扇形区域，包括集电极块305、发射极块306、以及4个子模组块(301、302、303、304)。所述4个子模组块中的第i个子模组块(i＝1,2,...,4)包含第i上钼片块、第i芯片块、第i银片块、第i下钼片块。图3仅标记第2子模组的元件块。即所述4个子模组块包含4个上钼片块(3011-3041)、4个芯片块(3012-3042)、4个银片块(3013-3043)、4个下钼片块(3014-3044)。所述材料参数是指所述有限元结构元件的材料机械特性与热特性参数，具体包含：弹性模量、泊松比、热膨胀系数、热传导率、比热容；第i银片块的弹性模量是指等效弹性模量Xi，其他所述材料参数可通过现有试验方法或查阅现有的材料手册得到，如表2所列。
表2
所述边界条件是指对发射极块下表面3061建立固支边界条件，对所述XZ平面建立所述Y方向对称边界条件，对所述YZ平面建立所述X方向对称边界条件。所述相互作用是指在所述发射极块下表面3061和所述集电极块上表面3051建立包含CT、TS的热交换条件，CT是热交换系数，Ts是热沉温度。所述载荷是指在所述集电极块上表面3051施加F＝72KN，F表示均布夹紧力；对第i个芯片施加Pi(t)。求解器是指商业有限元分析软件ABAQUS提供的温度-位移稳态求解器。
(2.1.3)构造性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))，是指对于特定的(X,P(t))，采用所述求解器对所述有限元模型求解，得到所述16个芯片块的应力分布响应，从中提取SU(X,P(t))和ST(X,P(t))。
步骤(2.2)更新应力平衡时变可靠性优化模型，即所述式一更新为：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
步骤(2.3)求解初始化，是指设置k＝0、X(0)＝E0、c1 (0)＝1、c2 (0)＝1、m。k表示迭代步序号，X(0)表示初始解，E0是由n/4个E0组成的向量。c1 (0)表示最大应力安全系数初始值，c2 (0)表示典型应力安全系数初始值。m表示离散数，本实施例中m取值为12。
步骤(2.4)实施静态可靠性优化，即求解式二：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 (k)≥c1 (0)·B1 t,B2 (k)≥c2 (0)·B2 t
B1 (k)＝N-1(Pr(SU t-SU(X,PS)≥0)),B2 (k)＝N-1(Pr(ST(X,PS)-ST t)≥0))
Xi L≤Xi≤Xi R,i＝1,2,...,4
B1 (k)是指最大应力约束的静态可靠性指标，B2 (k)是指典型应力约束的静态可靠性指标。PS是由包含n/4个随机变量组成的向量，第i个随机变量的分布参数为Ui、Vi。采用现有静态可靠性优化算法求解所述式二，得到X(k)、PM1 (k)、PM2 (k)、▽g1(X(k),PM1 (k))、▽g2(X(k),PM2 (k))、B1 (k)、B2 (k)、f(k)。X(k)表示第k迭代步的解。PM1 (k)表示对g1的最大可能性点，PM2 (k)表示对g2的最大可能性点，所述最大可能性点具有最大联合概率密度。▽g1(X(k),PM1 (k))表示g1在PM1 (k)处的梯度向量，▽g2(X(k),PM2 (k))表示g2在PM2 (k)处的梯度向量。f(k)表示第k迭代步的目标函数值。
步骤(2.5)服役周期离散化，是指将所述服役周期[t0,te]离散成m个相等的时段单元，即(t1,t2,...,tj,...,te)。tj表示第j个时段单元。
步骤(2.6)计算相关系数矩阵，流程为：
(2.6.1)构造近似函数：L1 (k)、L2 (k)。L1 (k)表示最大应力约束的近似函数，写成：L1 (k)＝g1(X(k),PM1 (k))+TR(P-PM1 (k))·▽g1(X(k),PM1 (k))。L2 (k)表示典型应力约束的近似函数，写成：L2 (k)＝g2(X(k),PM2 (k))+TR(P-PM2 (k))·▽g2(X(k),PM2 (k))。TR表示矩阵转置运算。
(2.6.2)计算L1 (k)相关系数矩阵，写成R1 (k)，是指计算R1,i (k)，R1,i (k)表示R1 (k)的第i个元素，写成：R1,i (k)＝sum((▽g1,i)2·Ri(τ))/(std(L1 (k)))2。R1,i (k)，i＝1,2,3,4组成R1 (k)。sum表示求和计算。std表示标准差计算。
(2.6.3)计算L2 (k)相关系数矩阵，写成R2 (k)，是指计算R2,i (k)，R2,i (k)表示R2 (k)的第i个元素，写成：R2,i (k)＝sum((▽g2,i)2·Ri(τ))/(std(L2 (k)))2。R2,i (k)，i＝1,2,3,4组成R2 (k)。
步骤(2.7)计算安全系数。
(2.7.1)计算c1 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c1 (k+1)·B1 (k),c1 (k+1)·B1 (k),...,c1 (k+1)·B1 (k),R1 (k)))＝B1 t
得到c1 (k+1)。c1 (k+1)表示第k+1迭代步的最大应力安全系数。Nm表示m维标准正态分布函数计算
(2.7.2)计算c2 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c2 (k+1)·B2 (k),c2 (k+1)·B2 (k),...,c2 (k+1)·B2 (k),R2 (k)))＝B2 t
得到c2 (k)。c2 (k)表示第k+1迭代步的地形应力安全系数。
步骤(2.8)实施时变可靠性分析，流程为
(2.8.1)计算B1 T(k)，是指B1 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))。B1 T(k)表示第k迭代步的最大应力约束时变可靠性指标。
(2.8.2)计算B2 T(k)，是指B2 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))。B2 T(k)表示第k迭代步的典型应力约束时变可靠性指标。
步骤(2.9)判断是否收敛，如收敛则计算结束，输出X(*)＝X(k)、f*＝f(k)、B1 T*＝B1 T (k)、B2 T*＝B2 T(k)；如不收敛，则设定k＝k+1，并执行所述步骤(2.4)。X(*)表示最优解，f*表示最优解的目标函数，B1 T*表示最优解的最大应力约束时变可靠性指标，B2 T*表示最优解的典型应力约束时变可靠性指标。
采用本发明方法对本实施例执行上述应力平衡时变可靠性优化得到如下结果。在初始点X(0)，芯片最大应力SU (0)＝89.45MPa，典型应力ST (0)＝5.44MPa，目标函数值f(0)＝0.0608。两个约束的时变可靠性指标为B1 T(0)<-5、B2 T(0)>5，不满足约束1且过满足约束2。经过4次迭代计算后得到最优解X*＝(6744,2538,7469,2656)MPa。将银片的等效弹性模量最优解X*转换为边长最优解L*＝(7.2,4.4,7.6,4.5)mm。如图4，最优解处，芯片最大应力SU *＝73.15MPa，典型应力ST *＝5.17MPa，目标函数值f*＝0.0707。约束1的时变可靠性指标为B1 T*＝3.22，约束2的时变可靠性指标为B2 T*＝2.54，满足B1 T*≥B1 t、B2 T*≥B2 t。目标函数值f(k)和时变可靠性指标B1 T(k)、B2 T(k)的迭代过程如图5。优化求解共调用有限元仿真316次，计算耗时53小时。
本实施例表明，本发明方法的一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法具有以下优点。IGBT时变可靠性优化前、后的应力平衡性能比较如表3所列。结果表明，优化后应力平衡性能从f(0)＝0.0608提升至f*＝0.0707，增幅为16.3％。本发明方法的优化解满足2个时变可靠性约束，是有效解。约束1由不满足变为满足，约束2由过满足变为恰满足。这表明所提方法能够解决该IGBT在其服役周期的时变可靠性设计问题。
表3
计算结果 优化前 优化后 对比
f 0.0608 0.0707 提升16.3％
B1 T -5 3.45 从不满足到满足
B2 T 5 2.89 从过满足到恰满足
为表明所提方法的效率和精度，将其与常规的双环优化方法对比。双环优化是指外层采用序列二次规划对设计点寻优，内层进行时变可靠性分析。双环优化方法能够得到高精度的结果，常被用来获取参考解，但其计算成本高昂。我们对IGBT的双环优化过程印证了其低效率的结论。为使对比研究中双环优化在效率上可行，对有限元模型构造二阶多项式响应面。为客观对比，本发明方法也采用响应面作为性能函数，重新进行时变可靠性优化。尽管对比研究中两种方法采用的是响应面，但本发明方法建议在实际应用时直接调用有限元模型，以避免响应面误差。所以，在评估计算成本时，有限元模型的真实耗时被作为计算成本基准。两种方法的计算结果如表4所列。效率方面，所提方法调用功能函数304次，计算耗时为50.7小时；双环方法调用功能函数101,632次，耗时为16939小时(1.93年)。所提方法具有显著的效率优势，能够满足工程要求。精度方面，所提方法的目标函数值与参考解非常接近，相差仅0.4％。这表明了该方法的精度。
表4
本发明实施例提供了一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法，首先适用性方面，与基于静态可靠性优化方法不同，本发明方法考虑了服役周期内应力平衡可靠性劣化，建立了压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型，可以得到满足服役周期内可靠性要求的最优解。其次效率方面，给出了所述时变可靠性优化模型的解耦方法，将嵌套优化转化成静态可靠性优化与时变可靠性分析的序列迭代过程，减少了计算成本。再次易用性方面，本发明方法步骤清晰，易于工程人员掌握并应用。
本发明实施例还提供了一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计装置，所述装置包括：
第一构建模块，用于构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型；
其中，第一构建模块包括：
选取子模块，用于基于IGBT选取设计向量，其中，所述IGBT包含n个子模组、集电极、发射极、管壳，n具有n/4是一个整数的特征，所述n个子模组中第i子模组包括元件：第i个上钼片、第i个芯片、第i个银片、第i个下钼片，i表示1至n中任一个的序号，所述第i个银片的等效弹性模量记为Xi，Xi与边长、材料弹性模量之间的关系为：Li＝L0·sqrt(Xi/E0)，Li表示第i个银片的边长，L0表示第i个芯片的边长，E0表示材料弹性模量，sqrt表示平方根计算，所述选取设计向量包括选取等效弹性模量Xi组成的设计向量X＝(X1,X2,...,Xi,...,Xn)为设计向量；
第一建立子模块，用于建立设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)，f表示目标函数，ST(X,Ui)表示ST(X,P(t))的名义值，SU(X,Ui)表示SU(X,P(t))的名义值，Ui是U1,U2,...,Ui,...,Un述组成的向量，其中，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与参数向量P(t)的函数，t表示服役周期[t0,te]的任一时刻，写成t0表示所述服役周期的起始时刻，te表示所述服役周期的结束时刻，所述参数向量P(t)用于表征服役周期内芯片的热耗；
第二建立子模块，用于建立约束，所述约束包括B1 T≥B1 t、B2 T≥B2 t，B1 t表示最大应力约束的目标可靠性指标，B2 t表示典型应力约束的目标可靠性指标，B1 T表示最大应力约束时变可靠性指标，B2 T表示典型应力约束时变可靠性指标；
构造子模块，用于构造应力平衡时变可靠性优化模型，即式一：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
max表示最大化计算，s.t.表示约束计算，Xi L表示Xi的下边界，Xi R表示Xi的上边界，Xi L和Xi R根据工程经验给定，Xi L的取值范围为[0.1E0，0.4E0]，Xi R的取值范围为[0.5E0,E0]。
可选地，所述第一建立子模块，包括：
第一建立单元，用于建立参数向量P(t)＝(P1(t),P2(t),...,Pi(t),...,Pn(t))，Pi(t)是所述参数向量的第i个元素，是指所述第i个芯片的热耗，Pi(t)被描述成具有分布参数Ui、Vi、Ri的随机过程，Ui是Pi(t)的均值，Vi是Pi(t)的标准差，Ri(τ)是Pi(t)的自相关函数，τ表示时间间隔；
定义单元，用于定义性能函数，所述性能函数包括SU(X,P(t))、ST(X,P(t))，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与所述参数向量P(t)的函数；
构建单元，用于构造设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)。
可选地，所述最大应力约束时变可靠性指标B1 T表示为：B1 T＝N-1(Pr(g1≥0))，所述典型应力约束时变可靠性指标B2 T表示为B2 T＝N-1(Pr(g2≥0))；
其中，N-1表示标准正态累积分布函数求逆计算，Pr表示概率计算，g1表示最大应力约束函数，g1＝SU t-SU(X,P(t))，g2表示典型应力约束函数，g2＝ST(X,P(t))-ST t，SU t表示芯片应力阈值，ST t表示热接触应力阈值。
可选地，所述装置还包括：
第二构建模块，用于构建所述应力平衡时变可靠性优化模型的解耦方法，所述第二构建模块包括：
第三建立子模块，用于建立所述性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))；
更新子模块，用于更新所述应力平衡时变可靠性优化模型，即所述式一更新为：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
求解子模块，用于求解初始化，包括设置k＝0、X(0)＝E0、c1 (0)＝1、c2 (0)＝1、m，k表示迭代步序号，X(0)表示初始解，E0是由n/4个E0组成的向量，c1 (0)表示最大应力安全系数初始值，c2 (0)表示典型应力安全系数初始值，m表示离散数，m取值范围为[10,30]；
第一实施子模块，用于实施静态可靠性优化，即求解式二：
max f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 (k)≥c1 (0)·B1 t,B2 (k)≥c2 (0)·B2 t
B1 (k)＝N-1(Pr(SU t-SU(X,PS)≥0)),B2 (k)＝N-1(Pr(ST(X,PS)-ST t)≥0))
Xi L≤Xi≤Xi R,i＝1,2,...,n/4；
其中，B1 (k)是指最大应力约束的静态可靠性指标，B2 (k)是指典型应力约束的静态可靠性指标，PS是由包含n/4个随机变量组成的向量，第i个随机变量的分布参数为Ui、Vi，求解所述式二，得到X(k)、PM1 (k)、PM2 (k)、▽g1(X(k),PM1 (k))、▽g2(X(k),PM2 (k))、B1 (k)、B2 (k)、f(k)，X(k)表示第k迭代步的解，PM1 (k)表示对g1的最大可能性点，PM2 (k)表示对g2的最大可能性点，所述最大可能性点具有最大联合概率密度，▽g1(X(k),PM1 (k))表示g1在PM1 (k)处的梯度向量，▽g2(X(k),PM2 (k))表示g2在PM2 (k)处的梯度向量，f(k)表示第k迭代步的目标函数值；
离散子模块，用于服役周期离散化，是指将所述服役周期[t0,te]离散成m个相等的时段单元，tj表示第j个时段单元；
第一计算子模块，用于计算相关系数矩阵，所述相关系数矩阵包括L1 (k)相关系数矩阵和L2 (k)相关系数矩阵，L1 (k)表示最大应力约束的近似函数，L2 (k)表示典型应力约束的近似函数；
第二计算子模块，用于计算安全系数，所述安全系数包括第k+1迭代步的最大应力安全系数c1 (k+1)和第k+1迭代步的地形应力安全系数c2 (k)，其中，所述安全系数根据所述相关系数矩阵求解得到；
第二实施子模块，用于实施时变可靠性分析，所述第二实施子模包括：
第一计算单元，用于计算B1 T(k)，是指B1 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))，B1 T(k)表示第k迭代步的最大应力约束时变可靠性指标；
第二计算单元，用于计算B2 T(k)，是指B2 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))，B2 T(k)表示第k迭代步的典型应力约束时变可靠性指标；
判断单元，用于判断是否收敛，如收敛则计算结束，输出X(*)＝X(k)、f*＝f(k)、B1 T*＝B1 T(k)、B2 T*＝B2 T(k)；如不收敛，则设定k＝k+1，并执行所述实施静态可靠性优化；其中，X(*)表示最优解，f*表示最优解的目标函数，B1 T*表示最优解的最大应力约束时变可靠性指标，B2 T*表示最优解的典型应力约束时变可靠性指标。
可选地，所述第三建立子模块包括：
第二建立单元，用于建立坐标系，以所述发射极下表面的中心点为原点、所述发射极下表面的法向为Z方向、所述发射极下表面的两个对称轴为X方向和Y方向，建立笛卡尔坐标系；
第三建立单元，用于建立1/4有限元模型，包括有限元结构、材料参数、边界条件、相互作用、载荷、求解器，所述有限元结构对应由XZ平面、YZ平面对所述IGBT包络得到的90°扇形区域，包括集电极块、发射极块、以及n/4个子模组块，所述n/4个子模组块中的第i个子模组块包含第i上钼片块、第i芯片块、第i银片块、第i下钼片块，i＝1,2,...,n/4，第i银片块的弹性模量是指等效弹性模量Xi，所述边界条件是指对发射极块下表面建立固支边界条件，对所述XZ平面建立所述Y方向对称边界条件，对所述YZ平面建立所述X方向对称边界条件，所述相互作用是指在所述发射极块下表面和所述集电极块上表面建立包含CT、TS的热交换条件，CT是热交换系数，Ts是热沉温度，所述载荷是指在所述集电极块上表面施加F，F表示均布夹紧力，对第i个芯片施加Pi(t)，求解器是指商业有限元分析软件提供的温度-位移稳态求解器；
第一构造单元，用于构造性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))，是指对于特定的(X,P(t))，采用所述求解器对所述有限元模型求解，得到所述n/4个芯片块的应力分布响应，从中提取SU(X,P(t))和ST(X,P(t))。
可选地，所述第一计算子模块包括：
第二构造单元，用于构造近似函数：L1 (k)、L2 (k)，所述最大应力约束的近似函数L1 (k)表示为：L1 (k)＝g1(X(k),PM1 (k))+TR(P-PM1 (k))·▽g1(X(k),PM1 (k))，所述典型应力约束的近似函数L2 (k)表示为：L2 (k)＝g2(X(k),PM2 (k))+TR(P-PM2 (k))·▽g2(X(k),PM2 (k))，TR表示矩阵转置运算；
第三计算单元，用于计算L1 (k)相关系数矩阵，写成R1 (k)，是指计算R1,i (k)，R1,i (k)表示R1 (k)的第i个元素，写成：R1,i (k)＝sum((▽g1,i)2·Ri(τ))/(std(L1 (k)))2，R1,i (k)，i＝1,2,3,4组成R1 (k)，sum表示求和计算，std表示标准差计算；
第四计算单元，用于计算L2 (k)相关系数矩阵，写成R2 (k)，是指计算R2,i (k)，R2,i (k)表示R2 (k)的第i个元素，写成：R2,i (k)＝sum((▽g2,i)2·Ri(τ))/(std(L2 (k)))2，R2,i (k)，i＝1,2,3,4组成R2 (k)。
可选地，所述第二计算子模块包括：
第五计算单元，用于计算c1 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c1 (k+1)·B1 (k),c1 (k+1)·B1 (k),...,c1 (k+1)·B1 (k),R1 (k)))＝B1 t
得到c1 (k+1)，Nm表示m维标准正态分布函数计算；
第六计算单元，用于计算c2 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c2 (k+1)·B2 (k),c2 (k+1)·B2 (k),...,c2 (k+1)·B2 (k),R2 (k)))＝B2 t
得到c2 (k)。
可选地，所述元件均为正方形薄片，所述n个子模组平行对称布置于集电极和发射极之间，在所述集电极和所述发射极的夹持下装入管壳，外部夹持装置对所述集电极和所述发射极施加夹紧力，以保持所述元件间的电气和热接触，所述集电极的上表面与所述发射极的下表面设置液冷装置以保持所述IGBT的良好散热，所述n个银片被用以缓解应力失衡的程度。
需要说明的是，压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计装置能实现上述压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法的各实施例的各个过程，技术特征一一对应，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。

Claims (10)

1.一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤(1)构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型；
其中，步骤(1)构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型，包括：
步骤(1.1)基于IGBT选取设计向量，其中，所述IGBT包含n个子模组、集电极、发射极、管壳，n具有n/4是一个整数的特征，所述n个子模组中第i子模组包括元件：第i个上钼片、第i个芯片、第i个银片、第i个下钼片，i表示1至n中任一个的序号，所述第i个银片的等效弹性模量记为Xi，Xi与边长、材料弹性模量之间的关系为：Li＝L0·sqrt(Xi/E0)，Li表示第i个银片的边长，L0表示第i个芯片的边长，E0表示材料弹性模量，sqrt表示平方根计算，所述选取设计向量包括选取等效弹性模量Xi组成的设计向量X＝(X1,X2,...,Xi,...,Xn)为设计向量；
步骤(1.2)建立设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)，f表示目标函数，ST(X,Ui)表示ST(X,P(t))的名义值，SU(X,Ui)表示SU(X,P(t))的名义值，Ui是U1,U2,...,Ui,...,Un述组成的向量，其中，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与参数向量P(t)的函数，t表示服役周期[t0,te]的任一时刻，写成t0表示所述服役周期的起始时刻，te表示所述服役周期的结束时刻，所述参数向量P(t)用于表征服役周期内芯片的热耗；
步骤(1.3)建立约束，所述约束包括B1 T≥B1 t、B2 T≥B2 t，B1 t表示最大应力约束的目标可靠性指标，B2 t表示典型应力约束的目标可靠性指标，B1 T表示最大应力约束时变可靠性指标，B2 T表示典型应力约束时变可靠性指标；
步骤(1.4)构造应力平衡时变可靠性优化模型，即式一：
maxf＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
max表示最大化计算，s.t.表示约束计算，Xi L表示Xi的下边界，Xi R表示Xi的上边界，Xi L和Xi R根据工程经验给定，Xi L的取值范围为[0.1E0，0.4E0]，Xi R的取值范围为[0.5E0,E0]。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1.2)，包括：
(1.2.1)建立参数向量P(t)＝(P1(t),P2(t),...,Pi(t),...,Pn(t))，Pi(t)是所述参数向量的第i个元素，是指所述第i个芯片的热耗，Pi(t)被描述成具有分布参数Ui、Vi、Ri的随机过程，Ui是Pi(t)的均值，Vi是Pi(t)的标准差，Ri(τ)是Pi(t)的自相关函数，τ表示时间间隔；
(1.2.2)定义性能函数，所述性能函数包括SU(X,P(t))、ST(X,P(t))，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与所述参数向量P(t)的函数；
(1.2.3)构造设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最大应力约束时变可靠性指标B1 T表示为：B1 T＝N-1(Pr(g1≥0))，所述典型应力约束时变可靠性指标B2 T表示为B2 T＝N-1(Pr(g2≥0))；
其中，N-1表示标准正态累积分布函数求逆计算，Pr表示概率计算，g1表示最大应力约束函数，g1＝SU t-SU(X,P(t))，g2表示典型应力约束函数，g2＝ST(X,P(t))-ST t，SU t表示芯片应力阈值，ST t表示热接触应力阈值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤(2)构建所述应力平衡时变可靠性优化模型的解耦方法，所述步骤(2)，包括：
步骤(2.1)建立所述性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))；
步骤(2.2)更新所述应力平衡时变可靠性优化模型，即所述式一更新为：
maxf＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
Xi L≤Xi≤Xi R,i＝1,2,...,n/4；
步骤(2.3)求解初始化，包括设置k＝0、X(0)＝E0、c1 (0)＝1、c2 (0)＝1、m，k表示迭代步序号，X(0)表示初始解，E0是由n/4个E0组成的向量，c1 (0)表示最大应力安全系数初始值，c2 (0)表示典型应力安全系数初始值，m表示离散数，m取值范围为[10,30]；
步骤(2.4)实施静态可靠性优化，即求解式二：
maxf＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 (k)≥c1 (0)·B1 t,B2 (k)≥c2 (0)·B2 t
B1 (k)＝N-1(Pr(SU t-SU(X,PS)≥0)),B2 (k)＝N-1(Pr(ST(X,PS)-ST t)≥0))
Xi L≤Xi≤Xi R,i＝1,2,...,n/4；
其中，B1 (k)是指最大应力约束的静态可靠性指标，B2 (k)是指典型应力约束的静态可靠性指标，PS是由包含n/4个随机变量组成的向量，第i个随机变量的分布参数为Ui、Vi，求解所述式二，得到X(k)、PM1 (k)、PM2 (k)、▽g1(X(k),PM1 (k))、▽g2(X(k),PM2 (k))、B1 (k)、B2 (k)、f(k)，X(k)表示第k迭代步的解，PM1 (k)表示对g1的最大可能性点，PM2 (k)表示对g2的最大可能性点，所述最大可能性点具有最大联合概率密度，▽g1(X(k),PM1 (k))表示g1在PM1 (k)处的梯度向量，表示g2在PM2 (k)处的梯度向量，f(k)表示第k迭代步的目标函数值；
步骤(2.5)服役周期离散化，是指将所述服役周期[t0,te]离散成m个相等的时段单元，tj表示第j个时段单元；
步骤(2.6)计算相关系数矩阵，所述相关系数矩阵包括L1 (k)相关系数矩阵和L2 (k)相关系数矩阵，L1 (k)表示最大应力约束的近似函数，L2 (k)表示典型应力约束的近似函数；
步骤(2.7)计算安全系数，所述安全系数包括第k+1迭代步的最大应力安全系数c1 (k+1)和第k+1迭代步的地形应力安全系数c2 (k)，其中，所述安全系数根据所述相关系数矩阵求解得到；
步骤(2.8)实施时变可靠性分析，流程包括：
(2.8.1)计算B1 T(k)，是指B1 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))，B1 T(k)表示第k迭代步的最大应力约束时变可靠性指标；
(2.8.2)计算B2 T(k)，是指B2 T(k)＝N-1(Nm(B1 (k),B1 (k),...,B1 (k),R1 (k)))，B2 T(k)表示第k迭代步的典型应力约束时变可靠性指标；
步骤(2.9)判断是否收敛，如收敛则计算结束，输出X(*)＝X(k)、f*＝f(k)、B1 T*＝B1 T(k)、B2 T*＝B2 T(k)；如不收敛，则设定k＝k+1，并执行所述步骤(2.4)；其中，X(*)表示最优解，f*表示最优解的目标函数，B1 T*表示最优解的最大应力约束时变可靠性指标，B2 T*表示最优解的典型应力约束时变可靠性指标。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2.1)，包括：
(2.1.1)建立坐标系，以所述发射极下表面的中心点为原点、所述发射极下表面的法向为Z方向、所述发射极下表面的两个对称轴为X方向和Y方向，建立笛卡尔坐标系；
(2.1.2)建立1/4有限元模型，包括有限元结构、材料参数、边界条件、相互作用、载荷、求解器，所述有限元结构对应由XZ平面、YZ平面对所述IGBT包络得到的90°扇形区域，包括集电极块、发射极块、以及n/4个子模组块，所述n/4个子模组块中的第i个子模组块包含第i上钼片块、第i芯片块、第i银片块、第i下钼片块，i＝1,2,...,n/4，第i银片块的弹性模量是指等效弹性模量Xi，所述边界条件是指对发射极块下表面建立固支边界条件，对所述XZ平面建立所述Y方向对称边界条件，对所述YZ平面建立所述X方向对称边界条件，所述相互作用是指在所述发射极块下表面和所述集电极块上表面建立包含CT、TS的热交换条件，CT是热交换系数，Ts是热沉温度，所述载荷是指在所述集电极块上表面施加F，F表示均布夹紧力，对第i个芯片施加Pi(t)，求解器是指温度-位移稳态求解器；
(2.1.3)构造性能函数SU(X,P(t))和ST(X,P(t))，是指对于特定的(X,P(t))，采用所述求解器对所述有限元模型求解，得到所述n/4个芯片块的应力分布响应，从中提取SU(X,P(t))和ST(X,P(t))。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2.6)，包括：
(2.6.1)构造近似函数：L1 (k)、L2 (k)，所述最大应力约束的近似函数L1 (k)表示为：L1 (k)＝g1(X(k),PM1 (k))+TR(P-PM1 (k))·▽g1(X(k),PM1 (k))，所述典型应力约束的近似函数L2 (k)表示为：L2 (k)＝g2(X(k),PM2 (k))+TR(P-PM2 (k))·▽g2(X(k),PM2 (k))，TR表示矩阵转置运算；
(2.6.2)计算L1 (k)相关系数矩阵，写成R1 (k)，是指计算R1,i (k)，R1,i (k)表示R1 (k)的第i个元素，写成：R1,i (k)＝sum((▽g1,i)2·Ri(τ))/(std(L1 (k)))2，R1,i (k)，i＝1,2,3,4组成R1 (k)，sum表示求和计算，std表示标准差计算；
(2.6.3)计算L2 (k)相关系数矩阵，写成R2 (k)，是指计算R2,i (k)，R2,i (k)表示R2 (k)的第i个元素，写成：R2,i (k)，i＝1,2,3,4组成R2 (k)。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2.7)，包括：
(2.7.1)计算c1 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c1 (k+1)·B1 (k),c1 (k+1)·B1 (k),...,c1 (k+1)·B1 (k),R1 (k)))＝B1 t
得到c1 (k+1)，Nm表示m维标准正态分布函数计算；
(2.7.2)计算c2 (k+1)，是指求解单变量非线性方程式：
N-1(Nm(c2 (k+1)·B2 (k),c2 (k+1)·B2 (k),...,c2 (k+1)·B2 (k),R2 (k)))＝B2 t
得到c2 (k)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述元件均为正方形薄片，所述n个子模组平行对称布置于集电极和发射极之间，在所述集电极和所述发射极的夹持下装入管壳，外部夹持装置对所述集电极和所述发射极施加夹紧力，以保持所述元件间的电气和热接触，所述集电极的上表面与所述发射极的下表面设置液冷装置以保持所述IGBT的良好散热，所述n个银片被用以缓解应力失衡的程度。
9.一种压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型设计装置，其特征在于，所述装置包括：
第一构建模块，用于构建压接型IGBT应力平衡时变可靠性优化模型；
其中，第一构建模块包括：
选取子模块，用于基于IGBT选取设计向量，其中，所述IGBT包含n个子模组、集电极、发射极、管壳，n具有n/4是一个整数的特征，所述n个子模组中第i子模组包括元件：第i个上钼片、第i个芯片、第i个银片、第i个下钼片，i表示1至n中任一个的序号，所述第i个银片的等效弹性模量记为Xi，Xi与边长、材料弹性模量之间的关系为：Li＝L0·sqrt(Xi/E0)，Li表示第i个银片的边长，L0表示第i个芯片的边长，E0表示材料弹性模量，sqrt表示平方根计算，所述选取设计向量包括选取等效弹性模量Xi组成的设计向量X＝(X1,X2,...,Xi,...,Xn)为设计向量；
第一建立子模块，用于建立设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)，f表示目标函数，ST(X,Ui)表示ST(X,P(t))的名义值，SU(X,Ui)表示SU(X,P(t))的名义值，Ui是U1,U2,...,Ui,...,Un述组成的向量，其中，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与参数向量P(t)的函数，t表示服役周期[t0,te]的任一时刻，写成t0表示所述服役周期的起始时刻，te表示所述服役周期的结束时刻，所述参数向量P(t)用于表征服役周期内芯片的热耗；
第二建立子模块，用于建立约束，所述约束包括B1 T≥B1 t、B2 T≥B2 t，B1 t表示最大应力约束的目标可靠性指标，B2 t表示典型应力约束的目标可靠性指标，B1 T表示最大应力约束时变可靠性指标，B2 T表示典型应力约束时变可靠性指标；
构造子模块，用于构造应力平衡时变可靠性优化模型，即式一：
maxf＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)
s.t.B1 T≥B1 t,B2 T≥B2 t
Xi L≤Xi≤Xi R,i＝1,2,...,n；
max表示最大化计算，s.t.表示约束计算，Xi L表示Xi的下边界，Xi R表示Xi的上边界，Xi L和Xi R根据工程经验给定，Xi L的取值范围为[0.1E0，0.4E0]，Xi R的取值范围为[0.5E0,E0]。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一建立子模块，包括：
第一建立单元，用于建立参数向量P(t)＝(P1(t),P2(t),...,Pi(t),...,Pn(t))，Pi(t)是所述参数向量的第i个元素，是指所述第i个芯片的热耗，Pi(t)被描述成具有分布参数Ui、Vi、Ri的随机过程，Ui是Pi(t)的均值，Vi是Pi(t)的标准差，Ri(τ)是Pi(t)的自相关函数，τ表示时间间隔；
定义单元，用于定义性能函数，所述性能函数包括SU(X,P(t))、ST(X,P(t))，SU(X,P(t))为所述IGBT的芯片典型应力，ST(X,P(t))为所述IGBT的芯片最大应力，SU(X,P(t))和ST(X,P(t))为关于所述设计向量X与所述参数向量P(t)的函数；
构建单元，用于构造设计目标：f＝ST(X,Ui)/SU(X,Ui)。
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