功率半导体器件多物理场耦合仿真方法

技术领域

本发明涉及功率半导体器件技术领域，尤其涉及一种功率半导体器件多物理场耦合仿真方法。

背景技术

功率半导体器件是电能变换设备的核心器件，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在大功率变流设备中以其优越性能应用广泛。热积累及过电压冲击是破坏半导体功率器件的主要原因。在当下功率半导体器件应用中为保证安全裕量设计普遍偏向粗放化。为降低器件浪费，提高设备系统功率等级及IGBT模组功率密度，保证器件在实际应用中的温升及过电压冲击处于安全范围内，指导大功率电能变换设备设计，提高IGBT器件尽限使用能力，精确的仿真模型是其必要保证。

现有技术中提出了一种压接式IGBT模块多物理场耦合仿真方法，在该方法中，基于ANSYS Simplorer计算压接式IGBT模块的集电极平均电流；在Ansys Maxwell中计算压接式IGBT模块温度变化的发热功率；在Ansys steady-state thermal中计算压接式IGBT模块的内部温度分布；在Ansys steady-state mechanical中计算该IGBT内部应力分布。

现有技术中还提出了一种基于工况的IGBT模块电-热-流体多场耦合仿真方法，在该方法中，搭建IGBT模块内部芯片损耗模型；搭建IGBT模块内部热传导过程模型；搭建散热过程中流体热对流共轭传热模型；基于comsol multiphysic with matlab编写电-热-流体这几件耦合变量交互程序，实现电-热-流体多物理场耦合仿真。

IGBT器件热损耗主要包括开通、关断损耗及通态损耗。不同型号IGBT器件寄生参数差异较大，IGBT器件通、断特性受其寄生参数影响很大，不同电压、功率等级IGBT器件差异较大。但现有多物理场耦合仿真模型未考虑IGBT器件内部通、断瞬态特性及稳态特性与实际器件的一致性，在这种情况下，难以准确描绘相应IGBT器件通、断特性。

发明内容

本发明提供了一种功率半导体器件多物理场耦合仿真方法，能够解决现有技术中的技术问题。

本发明提供了一种功率半导体器件多物理场耦合仿真方法，其中，该方法包括：

建立绝缘栅双极型晶体管IGBT仿真模型；

对实际IGBT模组进行双脉冲测试，对IGBT仿真模型进行双脉冲电路仿真；

将双脉冲测试结果和双脉冲电路仿真结果进行比较，并根据比较结果对IGBT仿真模型的寄生参数进行校准，得到校准后的IGBT仿真模型；

利用校准后的IGBT仿真模型获取实际IGBT模组的热损耗能量；

根据有限元分析软件建立热-流体-应力多物理场耦合模型；

利用热-流体-应力多物理场耦合模型根据热损耗能量以及实际IGBT模组各组件的热容值和热阻值获取实际IGBT模组的温升梯度分布和应力分布。

优选地，利用校准后的IGBT仿真模型获取实际IGBT模组的热损耗能量包括：

利用校准后的IGBT仿真模型获取实际IGBT模组在预定工况下的电流值和电压值；

根据电压值和电流值得到瞬态功率；

对瞬态功率进行对时间的积分，得到热损耗能量。

优选地，该方法还包括：利用双脉冲电路仿真结果绘制IGBT模组的安全工作区。

优选地，该方法还包括：利用校准后的IGBT仿真模型对实际IGBT模组在预定工况下的过电压进行仿真。

优选地，该方法还包括：利用校准后的IGBT仿真模型对实际IGBT模组在预定工况下的过电压冲击量进行预测。

优选地，寄生参数包括IGBT寄生电容容值、IGBT内阻、反并联二极管内阻及其电感。

通过上述技术方案，可以建立IGBT仿真模型，并利用校准后的IGBT仿真模型获取实际IGBT模组的热损耗能量，进而可以利用多物理场耦合仿真模型进行温升梯度仿真，指导变流器设计，提高变流模组功率密度，提高IGBT器件尽限应用能力。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种功率半导体器件多物理场耦合仿真方法的流程图；

图2示出了根据本发明实施例的一种IGBT仿真模型的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的一种多物理场耦合的IGBT结构模型；

图4示出了根据本发明实施例的一种变流模组仿真温升曲线。

具体实施方式

需要说明的是，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。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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本发明实施例的一种功率半导体器件多物理场耦合仿真方法的流程图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种功率半导体器件多物理场耦合仿真方法，其中，该方法包括：

建立绝缘栅双极型晶体管IGBT仿真模型；

对实际IGBT模组进行双脉冲测试，对IGBT仿真模型进行双脉冲电路仿真；

将双脉冲测试结果和双脉冲电路仿真结果进行比较，并根据比较结果对IGBT仿真模型的寄生参数进行校准，得到校准后的IGBT仿真模型；

利用校准后的IGBT仿真模型获取实际IGBT模组的热损耗能量(热损耗模型得到热损耗能量)；

根据有限元分析软件建立热-流体-应力多物理场耦合模型(多物理场耦合仿真模型)；

利用热-流体-应力多物理场耦合模型根据热损耗能量以及实际IGBT模组各组件的热容值和热阻值获取实际IGBT模组的温升梯度分布和应力分布。

也就是，将热损耗能量以及实际IGBT模组各组件的热容值和热阻值参数输入多物理场耦合模型即可得到实际IGBT模组的温升梯度分布和应力分布。

对于热-流体-应力，其中热场为IGBT及其反并联二极管芯片热损耗，流体场为环境风冷或水冷引起的热对流，应力场用于分析升温后因温升不一致造成的形变应力分布，进而分析最易失效点。

其中，通过校准寄生参数，可以降低寄生电容对IGBT通、断特性的影响。

通过上述技术方案，可以建立IGBT仿真模型，并利用校准后的IGBT仿真模型获取实际IGBT模组的热损耗能量，进而可以利用多物理场耦合仿真模型进行温升梯度仿真，指导变流器设计，提高变流模组功率密度，提高IGBT器件尽限应用能力。

在本发明中，实际IGBT模组各组件的热容值和热阻值可以通过现有技术中已有方式获取，为了不混淆本发明，在此不再赘述。例如，可以通过查表方式获取热容值和热阻值。

根据本发明一种实施例，利用校准后的IGBT仿真模型获取实际IGBT模组的热损耗能量包括：

利用校准后的IGBT仿真模型获取实际IGBT模组在预定工况下的电流值和电压值；

根据电压值和电流值得到瞬态功率；

对瞬态功率进行对时间的积分，得到热损耗能量。

也就是，对校准后的IGBT仿真模型按实际工况进行调制(将校准后的IGBT仿真模型应用于实际工况电路)，其电流值和电压值乘积即为瞬时功率(瞬态功率)，对时间积分为热损耗能量。通过该模型可以准确描绘实际损耗(平均功率)。

根据本发明一种实施例，该方法还包括：利用双脉冲电路仿真结果绘制IGBT模组的安全工作区。

由此，可以实现IGBT模组的自检预测。

根据本发明一种实施例，该方法还包括：利用校准后的IGBT仿真模型对实际IGBT模组在预定工况下的过电压进行仿真。

根据本发明一种实施例，该方法还包括：利用校准后的IGBT仿真模型对实际IGBT模组在预定工况下的过电压冲击量进行预测。

由此，可以进行电路仿真，避免过电压冲击。

根据本发明一种实施例，寄生参数包括IGBT寄生电容容值、IGBT内阻、反并联二极管内阻及其电感。

本领域技术人员应当理解，上述关于寄生参数的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

图2示出了根据本发明实施例的一种IGBT仿真模型的示意图。

如图2所示，IGBT模组包括igbt部分和反并联二极管部分。其中，数字标号1、2、3分别为IGBT部分的集电极(collector)、门极(gate)和发射极(emitter)。igbt部分包括N沟道MOSFET(N-Channel MOSFET)、BJT(PNP Bipolar Transistor)、可变电容C_gc、第一电容C_ge、第二电容C_ce、电阻R_e和门极内阻R_in。可变电容C_gc值在开通关断过程中随igbt门极电压值V_gate改变而改变。R_in用于调节开通关断速度。通过调节寄生参数(如C_gc、C_ge、C_ce电容容值)及MOSFET、BJT参数可以调节该模型igbt的开通关断特性。通过R_e调节igbt发射极内阻。反并联二极管部分包括二极管内阻R_diode、反并联二极管FWD和二极管寄生电容C_diode。Fcn为C_gc电容容值函数，输入为门极电压V_gate，输出为C_gc电容容值。对比双脉冲测试结果和双脉冲电路仿真结果，调整IGBT仿真模型的寄生参数，进而得到校准后的IGBT仿真模型(即，通过寄生参数调节IGBT仿真模型双脉冲仿真结果，使其与实际IGBT模组双脉冲测试一致)。

图3示出了根据本发明实施例的一种多物理场耦合的IGBT结构模型。

如图3所示，数字标号1、2、3为IGBT芯片，数字标号4、5、6为Diode芯片，数字标号7为焊料，数字标号8为衬板，数字标号9为衬板铜层，数字标号10为基板焊料，数字标号11为基板。

通过上述的多物理场耦合仿真模型可以得出温度梯度图。以Ansys有限元软件为例，在Ansys Workbench中通过Transient Thermal输入IGBT器件内部结构各部分热容热阻值，即可得出IGBT内部温升梯度；通过Steady-state mechanical计算IGBT器件内部应力分布。通过对关键观测点的测量，可以绘制出观测点的温度曲线。图4为在多物理场耦合仿真模型中通过观测igbt芯片、diode芯片及IGBT模块基板温度三个点在不同开关频率下的温度值绘制的温升曲线。

从上述实施例可以看出，本发明上述实施例中所述的仿真方法基于建立的IGBT仿真模型，可以通过电路仿真计算IGBT过电压情况，包括但不限于用于描绘IGBT安全工作区、测试不同门极电阻对功率器件均流效果的影响等应用；并且，通过IGBT仿真模型，可以精确计算IGBT热损耗，利用有限元分析软件可以建立热-流体-应力的多物理场耦合模型；基于建立的的热-流体-应力的多物理场耦合模型，可计算不同开关频率下的温升、应力分布；此外，本发明所述的仿真方法在过电压及热积累两个方面统筹考虑，可以指导变流设备设计及应用。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

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