[发明专利]一种功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法

说明书

本发明公开了一种功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法，包括以下步骤：S1、将功率半导体芯片划分为多元胞结构；S2、提取芯片的电压‑电流‑温度三维模型；S3、提取元胞的电压‑电流‑温度三维模型；S4、求出任一温度分布下元胞电流分配比例和相应损耗；S5、各元胞产生温升叠加得到芯片整体温度梯度；S6、重复步骤S4、S5直至温度梯度偏差收敛；S7、提取不同工况条件下的芯片表面温度峰值，计算对应的功率模块热阻。本发明通过将芯片集总式傅里叶级数解析热模型与多元胞分布式电学模型进行结合，实现了功率半导体芯片元胞的热电耦合建模与计算。另外，本发明所需计算量小、求解时间短、不存在收敛性问题，特别适合功率半导体芯片温度的在线预测。

技术领域

本发明属于电力电子器件领域，具体涉及一种功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法。

背景技术

功率模块在新能源汽车动力总成系统中应用广泛。高功率密度和高集成化趋势加剧了芯片表面温度梯度，而元胞电学参数具有温变效应，导致芯片形成电流密度不均匀分布特征。因汽车低速大转矩、重载定子堵转、起步加速等极端工况下半导体芯片过电流运行，元胞电流分配不均更加严重，片上温度场形成机制尚不明确，为功率模块安全运行带来隐患。因此，对功率模块片上电致温度场的建模与分析尤为迫切。

传统实验方法主要分为直接测量法与间接测量法。直接测量法主要利用红外热成像或光栅光纤，需要对功率模块进行开盖、拆解、除胶、喷漆等繁琐操作，因此只适合离线式测量。间接测量法主要利用热敏电参数，可实现在线式测量，然而间接法只能得到芯片平均温度，不能获得芯片表面温度分布，当芯片平均温度正常而局部过热时，难以探测，为新能源汽车特种工况下运行带来隐患。

因此为了实现对芯片表面温度的准确预测，国内外学者主要采用有限元法，大量依赖COMSOL、ANSYS等国外商用软件。然而该类有限元仿真软件对热电耦合效应的求解方式采用欧姆定律，即要求求解对象为纯电阻特性，而功率半导体芯片的电气特性本质上区别于纯电阻，芯片电导率也大大有别于硅材料电导率，这使得有限元软件在解决计及半导体芯片电特性问题上存在局限性。另外，在实际应用工况下，功率半导体芯片应用环境复杂，电压、电流等外部工作条件处于剧烈变化状态，而有限元商用软件无法应对电流连续变化下的芯片电气特性准确表征，进而在预测芯片电致温度场的准确性上存在极大劣势。

有鉴于此，本发明基于傅里叶级数相较有限元法易融合各类电路方程的特点，通过将芯片集总式傅里叶级数解析热模型与多元胞分布式电学模型进行结合，实现了功率半导体芯片元胞的热电耦合建模与计算。另外，由于傅里叶级数算法只进行多项式求和运算，有别于有限元法求解偏微分方程，因此本发明所需计算量小、求解时间短、不存在收敛性问题，特别适合功率半导体芯片温度的在线预测。

发明内容

综上述，本发明将芯片集总式傅里叶级数解析热模型与多元胞分布式电学模型进行结合，实现了功率半导体芯片元胞的热电耦合建模与计算。

本发明提出一种功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法，具体包括以下步骤：

S1、基于芯片金属层和键合线布局特征，将功率半导体芯片划分为多元胞结构；

S2、提取芯片集总参数，采用最小二乘算法建立功率半导体芯片的电压-电流-温度三维模型；

S3、根据多元胞并联电路特征，将芯片集总参数转化为元胞分布参数，建立功率半导体元胞的电压-电流-温度三维模型；

S4、由元胞的电压-电流-温度三维模型，采用数学插值算法求出任一温度分布下元胞电流分配比例和相应损耗；

S5、各元胞损耗所形成的二维温度分布场线性叠加得到芯片整体温度梯度；

S6、判断芯片整体温度梯度偏差小于某预设值则认为收敛，否则重复步骤S4、S5直至收敛，所得温度分布为功率半导体芯片元胞的热电耦合交互结果；