[发明专利]一种功率半导体模块多物理场联合仿真方法

说明书

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。

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。