【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及功率半导体器件多物理场耦合仿真，具体涉及一种风光储多能变换装备内部igbt封装模块的多物理场耦合仿真建模方法。
技术介绍
1、风光储一体化多能变换装备(能源路由器)通过实现风能、光伏、氢能等能源多态转换可极大缓解交通能源问题。作为多能变换装备中的核心器件，绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)具备易于驱动、开关频率高、载流能力大等优点，同时也已广泛应用于风光等可再生能源发电、电动汽车、开关电源、智能电网等诸多领域。然而，因封装中不同材料的热膨胀系数不匹配，在内部电-热-机械应力耦合的持续作用下igbt极易发生各种形式的封装失效，进而影响电力系统运行的稳定性。当前更高电流和功率密度发展需求促进了igbt多芯片封装模块形式的发展，这进一步提升了igbt模块内部芯片的不均匀自热问题，加剧了电热机械应力的耦合作用。为提高多能变换装备内部电力电子电路的稳定性与安全性，对igbt模块进行可靠性分析是十分必要的。
2、igbt失效多发生于封装内部，其内部结构极为精细，通过现有温度计算与实验监测的方法难以对模块内部的键合线等精细结构进行具体研究。通过多物理场耦合建模与仿真可对研究对象的物理特性分布进行计算，借助多物理场耦合仿真技术可进一步研究igbt内部运行状态。现有针对igbt封装模块的建模研究多考虑单一物理场或电-热物理场耦合，而igbt模块在运行时内部具有复杂的电-热-机械应力多物理场耦合关系。此外igbt模块是由多种材料封装而成，存在键合线等多种精细结
技术实现思路
1、本专利技术针对上述igbt仿真研究中的问题，提出一种风光储多能变换装备内部igbt封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，该方法能够计算igbt封装模块内部的电-热-机械应力特性，从而得到其内部的多物理场分布状态，进而对igbt模块进行可靠性分析与失效预测。
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案：
3、一种风光储多能变换装备内部igbt封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，包括如下步骤：
4、步骤一，根据igbt封装模块的尺寸参数建立其三维几何模型；
5、步骤二，对所构建几何模型进行材料划分与参数设定；
6、步骤三，根据igbt模块运行状况对几何模型进行电-热-机多物理场边界设置；
7、步骤四，根据多物理场耦合情况对模型进行网格剖分；
8、步骤五，计算igbt模块各封装结构的多物理场特性分布；
9、可选地，所述的步骤一在solidworks中逐一构建igbt模块各结构的三维几何模型，包括igbt芯片、二极管芯片、键合线、dbc上铜层、陶瓷层、dbc下铜层、铜基板以及各端极，最后装配为igbt整体封装模块；
10、可选地，所述的步骤二在comsol中导入步骤一所构建的igbt三维几何模型，模块运行性能与内部材料参数密切相关，精确设定其材料参数，模型中芯片部分电导率随温度变化明显，将其设定为与温度有关的函数形式，其余各层结构材料具体参数根据各结构所属材料进行设置；
11、可选地，所述的步骤三在仿真模型电流场中将集电极设置为电流终端；设置发射极边界部分为接地端；将陶瓷层及其连接的以下部分设为电绝缘；在传热物理场中选中模型所有域；由于空气对流的传热系数很小，热量传递可忽略，与空气接触的边界面设置为热绝缘；力场中将基板底部及螺丝孔内柱面设为固定约束，即应变为0；在弹性材料中添加热膨胀的热-应力多物理场的耦合；
12、可选地，所述的步骤四在igbt模型中对芯片、键合线、焊料层精细且关键的结构进行细致网格剖分，对dbc铜层、陶瓷层、基板等结构进行常规网格剖分。
13、所述的步骤五在模型中基于前述材料参数设置、物理边界条件设置、网格剖分的步骤对模型进行仿真模拟及多物理场解耦，计算得到电、热、力各物理场的特性分布，进而对igbt内部结构运行状态进行分析与研究。
14、与现有技术相比，本专利技术的具有的有益效果如下：
15、igbt封装模块内部芯片、键合线、焊料层等结构极为精细，现有仿真建模为提高仿真速度，多对其进行简化或忽略，然而这些结构的运行状态与igbt的可靠运行存在着极大地关联性，本专利技术提供的建模方法考虑了igbt模块内部的整体结构，对不同部位都进行了几何模型的准确构建。此外，在igbt封装模块内部主要存在着电、热、机械场的多物理场耦合，这些物理场通过材料参数以及器件功率状态形成了交互耦合，彼此影响，多场耦合关系极为复杂。现有的igbt多物理场仿真建模方法多为仅考虑简单的电-热或热-机耦合，本专利技术综合了igbt内部的电-热-机多物理场耦合关系，并加入芯片电导率随温度影响变化的考虑，实现了对igbt封装模块的电-热-机多物理场耦合仿真建模，提高了仿真的准确性，可有效计算igbt内部结构的电、热、力运行特性，进而保障风光储多能变换装备的可靠运行。
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1.一种风光储多能变换装备内部IGBT封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的风光储多能变换装备内部IGBT封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：步骤一逐一构建IGBT模块各结构的三维几何模型，包括IGBT芯片、二极管芯片、键合线、DBC上铜层、陶瓷层、DBC下铜层、铜基板以及各端极，最后装配为IGBT整体封装模块。
3.根据权利要求1所述的风光储多能变换装备内部IGBT封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：步骤二导入步骤一所构建的IGBT三维几何模型，精确设定其材料参数，将芯片电导率设定为与温度有关的函数形式，其余各层结构材料具体参数根据各结构所属材料进行设置。
4.根据权利要求1所述的风光储多能变换装备内部IGBT封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：步骤三在仿真模型电流场中将集电极设置为电流终端；设置发射极边界部分为接地端；将陶瓷层及其连接的以下部分设为电绝缘；在传热物理场中选中模型所有域；由于空气对流的传热系数很小，热量传递可忽略，与空气接触的边界设置为热绝缘
5.根据权利要求1所述的风光储多能变换装备内部IGBT封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：步骤四在IGBT模型中对芯片、键合线、焊料层精细且关键的结构进行细致网格剖分，对DBC铜层、陶瓷层、基板等结构进行常规网格剖分。
6.根据权利要求1所述的风光储多能变换装备内部IGBT封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：步骤五在模型中进行仿真模拟及多物理场解耦，计算得到电、热、力各物理场的特性分布，进而对IGBT内部结构运行状态进行分析与研究。
...【技术特征摘要】
1.一种风光储多能变换装备内部igbt封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的风光储多能变换装备内部igbt封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：步骤一逐一构建igbt模块各结构的三维几何模型，包括igbt芯片、二极管芯片、键合线、dbc上铜层、陶瓷层、dbc下铜层、铜基板以及各端极，最后装配为igbt整体封装模块。
3.根据权利要求1所述的风光储多能变换装备内部igbt封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：步骤二导入步骤一所构建的igbt三维几何模型，精确设定其材料参数，将芯片电导率设定为与温度有关的函数形式，其余各层结构材料具体参数根据各结构所属材料进行设置。
4.根据权利要求1所述的风光储多能变换装备内部igbt封装模块的多物理场耦合仿真建模方法，其特征在于：步骤三在仿真模型...
【专利技术属性】
技术研发人员：任瀚文，赵思洋，王伟，母建，刘佳文，李庆民，王健，丛浩熹，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
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