一种功率器件健康状态评估方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种功率器件健康状态评估方法和系统，以功率器件的健康状态为研究对象，采用仿真产生数据解决样本匮乏问题，采用神经网络算法解决复杂工况下状态快速准确评估问题，利用训练后的神经网络，可以对器件实测数据快速给出功率器件健康状态结论，也可以分析实际变工况下器件的退化程度和退化位置，解决了传统试验样件内部结构退化制样困难、健康状态评估中数据样本小等问题，为客观评价功率器件健康状态提供了一种量化评估方法。率器件健康状态提供了一种量化评估方法。率器件健康状态提供了一种量化评估方法。

【技术实现步骤摘要】
一种功率器件健康状态评估方法和系统


[0001]本专利技术属于功率器件健康状态评估
，尤其涉及一种功率器件健康状态评估方法和系统。

技术介绍

[0002]功率器件广泛应用于工业、军事、航空航天等领域，承担电能变换等重要作用，是电力电子功率电路的核心组成部分。在航空航天等重要领域，功率器件的可靠性对于所在系统的可靠性有非常大的影响，因此，这些重要领域对功率器件的可靠性要求更高。功率器件可靠性和健康状态评价方法主要包括可靠性预计法、失效物理法以及数据驱动法等，其中，数据驱动法可以通过器件的可测得特性参数表征其退化程度。然而，实际开展器件评估过程中，面临着退化试验样品制作困难、数据匮乏等问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种功率器件健康状态评估方法和系统，通过仿真的方法生成功率器件在不同工作条件下、不同退化程度的电热特征参数数据，提取数据作为数据集进行神经网络训练，用于器件健康状态评估。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种功率器件健康状态评估方法，包括：
[0005]步骤1，对功率器件的失效位置和失效模式进行分析，确定功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势；
[0006]步骤2，基于有限元分析方法，开展功率器件的多物理场耦合仿真，得到健康状态功率器件的基准评估数据；
[0007]步骤3，根据功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势，在有限元分析方法中注入不同的结构退化，遍历功率器件的多物理场耦合仿真，得到不同退化状态功率器件的基准评估数据；
[0008]步骤4，根据得到的健康状态功率器件的基准评估数据和不同退化状态功率器件的基准评估数据，采用改进的广义回归神经网络算法进行训练，得到健康状态评估模型；
[0009]步骤5，根据健康状态评估模型对功率器件的健康状态进行评估。
[0010]在上述功率器件健康状态评估方法中，对功率器件的失效位置和失效模式进行分析，确定功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势，包括：
[0011]子步骤11，分析功率器件的薄弱封装结构，包括：焊层结构和键合引线；
[0012]子步骤12，根据薄弱封装结构的分析结果，确定退化位置，及各退化位置对应的相关应力；
[0013]子步骤13，根据确定的退化位置、及各退化位置对应的相关应力，分析得到功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势。
[0014]在上述功率器件健康状态评估方法中，功率器件的特征参数，包括：端口电压降、器件结
‑
壳热阻。
[0015]在上述功率器件健康状态评估方法中，基于有限元分析方法，开展功率器件的多物理场耦合仿真，得到健康状态功率器件的基准评估数据，包括：
[0016]子步骤21，在多物理场有限元分析软件中构建功率器件的三维结构模型，并根据功率器件各部分材料赋予三维结构模型相应的材料属性；
[0017]子步骤21，基于构建的具有材料属性的三维结构模型，开展电热耦合仿真，将电热耦合仿真得到的结果作为健康状态功率器件的基准评估数据；其中，物理场，包括：电场和温度场。
[0018]在上述功率器件健康状态评估方法中，基于构建的具有材料属性的三维结构模型，开展电热耦合仿真，将电热耦合仿真得到的结果作为健康状态功率器件的基准评估数据，包括：
[0019]子步骤211，设置耦合方式：电场和温度场之间通过焦耳热效应和材料温度特性进行耦合；
[0020]子步骤212，设置温度相关参数：对于随温度变化的材料属性，在多物理场有限元分析软件中设置温度相关参数；
[0021]子步骤213，设置边界条件：边界条件根据实际工作条件和应用环境设置；
[0022]子步骤214，根据设置的耦合方式、温度相关参数和边界条件，基于构建的具有材料属性的三维结构模型，开展电热耦合仿真，得到功率器件的温度分布和电参数分布；
[0023]子步骤215，改变实际工作条件和应用环境，设置不同的边界条件，重复电热耦合仿真过程，得到不同工况条件下功率器件的温度分布和电参数分布；
[0024]子步骤216，从不同工况条件下的功率器件的温度分布和电参数分布中，提取得到不同工况条件下的芯片结温、壳温和端口电压，作为健康状态功率器件的基准评估数据。
[0025]在上述功率器件健康状态评估方法中，根据功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势，在有限元分析方法中注入不同的结构退化，遍历功率器件的多物理场耦合仿真，得到不同退化状态功率器件的基准评估数据，包括：
[0026]子步骤31，根据功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势，分析器件在不同工况条件下的主要退化模式和退化位置，并在有限元分析方法中注入不同程度的结构退化；
[0027]子步骤32，重复子步骤211～216，提取得到不同程度的结构退化、不同工况条件下的芯片结温、壳温和端口电压，作为不同退化状态功率器件的基准评估数据。
[0028]在上述功率器件健康状态评估方法中，根据得到的健康状态功率器件的基准评估数据和不同退化状态功率器件的基准评估数据，采用改进的广义回归神经网络算法进行训练，得到健康状态评估模型，包括：
[0029]子步骤41，根据得到的健康状态功率器件的基准评估数据和不同退化状态功率器件的基准评估数据，构建得到模型训练集；
[0030]子步骤42，基于构建得到模型训练集，采用改进的广义回归神经网络算法，对神经网络模型进行训练，确定神经网络模型的各权重系数；
[0031]子步骤43，将确定的神经网络模型的各权重系数赋值给神经网络模型，得到健康状态评估模型。
[0032]相应的，本专利技术还公开了一种功率器件健康状态评估系统，包括：
[0033]分析模块，用于对功率器件的失效位置和失效模式进行分析，确定功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势；
[0034]第一有限元分析模块，用于基于有限元分析方法，开展功率器件的多物理场耦合仿真，得到健康状态功率器件的基准评估数据；
[0035]第二有限元分析模块，用于根据功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势，在有限元分析方法中注入不同的结构退化，遍历功率器件的多物理场耦合仿真，得到不同退化状态功率器件的基准评估数据；
[0036]模型训练模块，用于根据得到的健康状态功率器件的基准评估数据和不同退化状态功率器件的基准评估数据，采用改进的广义回归神经网络算法进行训练，得到健康状态评估模型；
[0037]评估模块，用于根据健康状态评估模型对功率器件的健康状态进行评估。
[0038]本专利技术具有以下优点：
[0039]本专利技术针对传统试验样件内部结构退化制样困难、健康状态评估中数据样本量小等问题，提出了一种基于仿真和神经网络的功率器件健康状态评估系统，结合功率元器件在功能与电参数、质量与可靠性、抗辐射能力、抗静电能力、设计能力、制造工艺、过程控制能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率器件健康状态评估方法，其特征在于，包括：步骤1，对功率器件的失效位置和失效模式进行分析，确定功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势；步骤2，基于有限元分析方法，开展功率器件的多物理场耦合仿真，得到健康状态功率器件的基准评估数据；步骤3，根据功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势，在有限元分析方法中注入不同的结构退化，遍历功率器件的多物理场耦合仿真，得到不同退化状态功率器件的基准评估数据；步骤4，根据得到的健康状态功率器件的基准评估数据和不同退化状态功率器件的基准评估数据，采用改进的广义回归神经网络算法进行训练，得到健康状态评估模型；步骤5，根据健康状态评估模型对功率器件的健康状态进行评估。2.根据权利要求1所述的功率器件健康状态评估方法，其特征在于，对功率器件的失效位置和失效模式进行分析，确定功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势，包括：子步骤11，分析功率器件的薄弱封装结构，包括：焊层结构和键合引线；子步骤12，根据薄弱封装结构的分析结果，确定退化位置，及各退化位置对应的相关应力；子步骤13，根据确定的退化位置、及各退化位置对应的相关应力，分析得到功率器件的特征参数与结构退化之间的变化趋势。3.根据权利要求1或2所述的功率器件健康状态评估方法，其特征在于，功率器件的特征参数，包括：端口电压降、器件结
‑
壳热阻。4.根据权利要求1所述的功率器件健康状态评估方法，其特征在于，基于有限元分析方法，开展功率器件的多物理场耦合仿真，得到健康状态功率器件的基准评估数据，包括：子步骤21，在多物理场有限元分析软件中构建功率器件的三维结构模型，并根据功率器件各部分材料赋予三维结构模型相应的材料属性；子步骤21，基于构建的具有材料属性的三维结构模型，开展电热耦合仿真，将电热耦合仿真得到的结果作为健康状态功率器件的基准评估数据；其中，物理场，包括：电场和温度场。5.根据权利要求4所述的功率器件健康状态评估方法，其特征在于，基于构建的具有材料属性的三维结构模型，开展电热耦合仿真，将电热耦合仿真得到的结果作为健康状态功率器件的基准评估数据，包括：子步骤211，设置耦合方式：电场和温度场之间通过焦耳热效应和材料温度特性进行耦合；子步骤212，设置温度相关参数：对于随温度变化的材料属性，在多物理场有限元分析软件中设置温度相关参数；子步骤213，设置边界条件：边界条件根据实际工作条件和应用环境设置；子步骤214，根据设置的耦合方式、温度相关参数和边界条件，基于构建...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜贸公，薄鹏，张伟，张延伟，吕倩倩，李培蕾，屈若媛，谷重阳，肖波，谷瀚天，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：