一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法及系统-9479威尼斯

专利名称：一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：cn202210569889.x

专利申请（专利权）人：河北工业大学
权利人地址：天津市北辰区西平道5340号

专利发明（设计）人：冯世哲,郭毅铖

专利摘要：本发明涉及一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法及系统，具体涉及igbt抗热冲击设计技术领域。所述方法包括：采用缩减基法根据减基矩阵对igbt传热系统方程进行降维得到降维后的igbt传热系统方程；采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到所述待设计igbt各层的最优热传导率。本发明可大幅度降低样本点响应的计算成本，解决了igbt抗热冲击设计效率极低的问题。

主权利要求：
1.一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法，其特征在于，包括：获取减基矩阵；
采用缩减基法根据所述减基矩阵对igbt传热系统方程进行降维得到降维后的igbt传热系统方程；
采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到待设计igbt各层的最优热传导率；
所述获取减基矩阵，具体包括：
对igbt的各层进行网格划分，随后选取若干设计样本点，得到总体热载荷矩阵和各层的热传导矩阵；
根据各层的热传导矩阵和总体热载荷矩阵构建igbt传热系统方程；
根据各层的热传导矩阵和各层的热传导率计算常数矩阵；
根据若干设计样本点、所述常数矩阵、所述总体热载荷矩阵和所述igbt传热系统方程得到减基矩阵；
所述根据若干设计样本点、所述常数矩阵、所述总体热载荷矩阵和所述igbt传热系统方程得到减基矩阵，具体包括：根据若干设计样本点、所述常数矩阵和所述igbt传热系统方程得到各设计样本点对应的igbt结构热响应；
根据各设计样本点对应的igbt结构热响应构建减基矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法，其特征在于，所述寻优算法为：粒子群算法或者遗传算法。
3.根据权利要求2所述的一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法，其特征在于，当所述寻优算法为粒子群算法时，所述采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到待设计igbt各层的最优热传导率，具体包括：在当前迭代次数下，将当前迭代次数下待设计igbt各层的热传导率和所述减基矩阵输入所述降维后的igbt传热系统方程得到当前迭代次数下方程系数；
根据当前迭代次数下所述方程系数和所述减基矩阵得到当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应；
判断当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应是否达到迭代停止条件；
若达到迭代停止条件，则确定当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率为所述待设计igbt各层的最优热传导率；
若没有达到迭代停止条件，则更新当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率作为下次迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率，并进入下次迭代。
4.一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计系统，其特征在于，包括：获取模块，用于获取减基矩阵；
降维模块，用于采用缩减基法根据所述减基矩阵对igbt传热系统方程进行降维得到降维后的igbt传热系统方程；
最优热传导率计算模块，用于采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到待设计igbt各层的最优热传导率；
所述获取模块，具体包括：
网格划分单元，用于对igbt的各层进行网格划分，随后选取若干设计样本点，得到总体热载荷矩阵和各层的热传导矩阵；
igbt传热系统方程构建单元，用于根据各层的热传导矩阵和总体热载荷矩阵构建igbt传热系统方程；
常数矩阵计算单元，用于根据各层的热传导矩阵和各层的热传导率计算常数矩阵；
减基矩阵计算单元，用于根据若干设计样本点、所述常数矩阵、所述总体热载荷矩阵和所述igbt传热系统方程得到减基矩阵；
所述减基矩阵计算单元具体包括：
igbt结构热响应计算子单元，用于根据若干设计样本点、所述常数矩阵和所述igbt传热系统方程得到各设计样本点对应的igbt结构热响应；
减基矩阵构建子单元，用于根据各设计样本点对应的igbt结构热响应构建减基矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计系统，其特征在于，所述寻优算法为：粒子群算法或者遗传算法。
6.根据权利要求5所述的一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计系统，其特征在于，当所述寻优算法为粒子群算法时，所述最优热传导率计算模块，具体包括：方程系数计算单元，用于在当前迭代次数下，将当前迭代次数下待设计igbt各层的热传导率和所述减基矩阵输入所述降维后的igbt传热系统方程得到当前迭代次数下方程系数；
待设计igbt的结构热响应计算单元，用于根据当前迭代次数下所述方程系数和所述减基矩阵得到当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应；
判断单元，用于判断当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应是否达到迭代停止条件；
最优热传导率计算单元，用于若达到迭代停止条件，则确定当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率为所述待设计igbt各层的最优热传导率；
迭代单元，用于若没有达到迭代停止条件，则更新当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率作为下次迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率，并进入下次迭代。 说明书 : 一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及igbt抗热冲击设计技术领域，特别是涉及一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法及系统。背景技术[0002] 如图1中所示，igbt器件为复杂多层结构，包括由下向上依次设置的散热片1、导热硅脂2、铜底板3、dbc焊料层4、dbc下铜层5、dbc陶瓷基板6、dbc上铜层7、芯片焊料层8、芯片层(续流二极管9、igbt芯片10)和芯片金属氧化层11、续流二极管9和igbt芯片10上的芯片金属氧化层11之间通过键合线12连接，igbt芯片10上的芯片金属氧化层11和dbc上铜层7之间通过键合线12连接，由于igbt器件服役时承受循环热冲击载荷的作用，需要对各层材料热传导率进行合理匹配，确保igbt具有较好的抗热冲击性能。但是现有实际方法在优化设计过程中，需要计算数以万计样本点响应才能获得最优设计方案，由于igbt结构复杂、组成多样，导致所需计算网格数量较高，使得现有设计方法在寻找最优设计方案时，需要反复求解大规模传热系统方程，使得整个寻优过程计算成本急剧上升，极大降低了igbt抗热冲击设计的效率。发明内容[0003] 本发明的目的是提供一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法及系统，可大幅度降低样本点响应的计算成本，解决了igbt抗热冲击设计效率极低的问题。[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：[0005] 一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法，包括：[0006] 获取减基矩阵；[0007] 采用缩减基法根据所述减基矩阵对igbt传热系统方程进行降维得到降维后的igbt传热系统方程；[0008] 采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到所述待设计igbt各层的最优热传导率。[0009] 可选的，所述获取减基矩阵，具体包括：[0010] 对igbt的各层进行网格划分，随后选取若干设计样本点，得到总体热载荷矩阵和各层的热传导矩阵；[0011] 根据各层的热传导矩阵和总体热载荷矩阵构建igbt传热系统方程；[0012] 根据各层的热传导矩阵和各层的热传导率计算常数矩阵；[0013] 根据若干设计样本点、所述常数矩阵、所述总体热载荷矩阵和所述igbt传热系统方程得到减基矩阵。[0014] 可选的，所述根据若干设计样本点、所述常数矩阵、所述总体热载荷矩阵和所述igbt传热系统方程得到减基矩阵，具体包括：[0015] 根据若干设计样本点、所述常数矩阵和所述igbt传热系统方程得到各设计样本点对应的igbt结构热响应；[0016] 根据各设计样本点对应的igbt结构热响应构建减基矩阵。[0017] 可选的，所述寻优算法为：粒子群算法或者遗传算法。[0018] 可选的，当所述寻优算法为粒子群算法时，所述采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到所述待设计igbt各层的最优热传导率，具体包括：[0019] 在当前迭代次数下，将当前迭代次数下待设计igbt各层的热传导率和所述减基矩阵输入所述降维后的igbt传热系统方程得到当前迭代次数下方程系数；[0020] 根据当前迭代次数下所述方程系数和所述减基矩阵得到当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应；[0021] 判断当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应是否达到迭代停止条件；[0022] 若达到迭代停止条件，则确定当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率为所述待设计igbt各层的最优热传导率；[0023] 若没有达到迭代停止条件，则更新当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率作为下次迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率，并进入下次迭代。[0024] 一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计系统，包括：[0025] 获取模块，用于获取减基矩阵；[0026] 降维模块，用于采用缩减基法根据所述减基矩阵对igbt传热系统方程进行降维得到降维后的igbt传热系统方程；[0027] 最优热传导率计算模块，用于采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到所述待设计igbt各层的最优热传导率。[0028] 可选的，所述获取模块，具体包括：[0029] 网格划分单元，用于对igbt的各层进行网格划分，随后选取若干设计样本点，得到总体热载荷矩阵和各层的热传导矩阵；[0030] igbt传热系统方程构建单元，用于根据各层的热传导矩阵和总体热载荷矩阵构建igbt传热系统方程；[0031] 常数矩阵计算单元，用于根据各层的热传导矩阵和各层的热传导率计算常数矩阵；[0032] 减基矩阵计算单元，用于根据若干设计样本点、所述常数矩阵、所述总体热载荷矩阵和所述igbt传热系统方程得到减基矩阵。[0033] 可选的，所述减基矩阵计算单元具体包括：[0034] igbt结构热响应计算子单元，用于根据若干设计样本点、所述常数矩阵和所述igbt传热系统方程得到各设计样本点对应的igbt结构热响应；[0035] 减基矩阵构建子单元，用于根据各设计样本点对应的igbt结构热响应构建减基矩阵。[0036] 可选的，所述寻优算法为：粒子群算法或者遗传算法。[0037] 可选的，当所述寻优算法为粒子群算法时，所述最优热传导率计算模块，具体包括：[0038] 方程系数计算单元，用于在当前迭代次数下，将当前迭代次数下待设计igbt各层的热传导率和所述减基矩阵输入所述降维后的igbt传热系统方程得到当前迭代次数下方程系数；[0039] 待设计igbt的结构热响应计算单元，用于根据当前迭代次数下所述方程系数和所述减基矩阵得到当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应；[0040] 判断单元，用于判断当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应是否达到迭代停止条件；[0041] 最优热传导率计算单元，用于若达到迭代停止条件，则确定当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率为所述待设计igbt各层的最优热传导率；[0042] 迭代单元，用于若没有达到迭代停止条件，则更新当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率作为下次迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率，并进入下次迭代。[0043] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明采用缩减基法根据减基矩阵对igbt传热系统方程进行降维得到降维后的igbt传热系统方程；采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到所述待设计igbt各层的最优热传导率，采用缩减基法对igbt传热系统方程进行降维，可大幅度降低样本点响应的计算成本，解决了igbt抗热冲击设计效率极低的问题。附图说明[0044] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0045] 图1为igbt多层结构示意图；[0046] 图2为本发明实施例提供的基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法的流程图。具体实施方式[0047] 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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。[0048] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0049] 如图2所示，本发明实施例提供了一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法，包括：[0050] 步骤101：获取减基矩阵.[0051] 步骤102：采用缩减基法根据所述减基矩阵对igbt传热系统方程进行降维得到降维后的igbt传热系统方程。[0052] 步骤103：采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到所述待设计igbt各层的最优热传导率。[0053] 在实际应用中，所述获取减基矩阵，具体包括：[0054] 对igbt的各层进行网格划分，随后选取若干设计样本点，得到各设计样本点对应的总体热载荷矩阵和各层的热传导矩阵。这里一个设计样本点就是igbt所有层的热传导率。[0055] 根据各设计样本点对应的各层的热传导矩阵和总体热载荷矩阵构建igbt传热系统方程。[0056] 对于任意一个设计样本点，根据设计样本点对应的各层的热传导矩阵和各层的热传导率(所述设计样本点)计算常数矩阵。[0057] 根据若干设计样本点、所述常数矩阵、所述总体热载荷矩阵和所述igbt传热系统方程得到减基矩阵。[0058] 在实际应用中，所述根据若干设计样本点、所述常数矩阵、所述总体热载荷矩阵和所述igbt传热系统方程得到减基矩阵，具体包括：[0059] 根据若干设计样本点、所述常数矩阵和所述igbt传热系统方程得到各设计样本点对应的igbt结构热响应，即对于任意一个设计样本点，根据设计样本点和常数矩阵计算得到设计样本点对应的热传导矩阵，将设计样本点对应的热传导矩阵和设计样本点对应的总体热载荷矩阵带入igbt传热系统方程得到设计样本点对应的igbt结构热响应。[0060] 根据各设计样本点对应的igbt结构热响应构建减基矩阵。[0061] 在实际应用中，所述寻优算法为：粒子群算法或者遗传算法。[0062] 在实际应用中，当所述寻优算法为粒子群算法时，所述采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到所述待设计igbt各层的最优热传导率，具体包括：[0063] 在当前迭代次数下，将当前迭代次数下待设计igbt各层的热传导率和所述减基矩阵输入所述降维后的igbt传热系统方程得到当前迭代次数下方程系数。[0064] 根据当前迭代次数下所述方程系数和所述减基矩阵得到当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应。[0065] 判断当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应是否达到迭代停止条件。[0066] 若达到迭代停止条件，则确定当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率为所述待设计igbt各层的最优热传导率。[0067] 若没有达到迭代停止条件，则更新当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率作为下次迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率，并进入下次迭代。[0068] 本发明实施例公开的基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法，可大幅度提高样本点响应的计算速度，从而有效缩短寻优时间，大幅度提升设计效率。[0069] 针对上述方法，本发明实施例还提供了一种基于缩减基的igbt抗热冲击设计系统，包括：[0070] 获取模块，用于获取减基矩阵。[0071] 降维模块，用于采用缩减基法根据所述减基矩阵对igbt传热系统方程进行降维得到降维后的igbt传热系统方程。[0072] 最优热传导率计算模块，用于采用寻优算法根据所述减基矩阵对所述降维后的igbt传热系统方程进行求解得到所述待设计igbt各层的最优热传导率。[0073] 作为一种可选的实施方式，所述获取模块，具体包括：[0074] 网格划分单元，用于对igbt的各层进行网格划分，随后选取若干设计样本点，得到总体热载荷矩阵和各层的热传导矩阵。[0075] igbt传热系统方程构建单元，用于根据各层的热传导矩阵和总体热载荷矩阵构建igbt传热系统方程。[0076] 常数矩阵计算单元，用于根据各层的热传导矩阵和各层的热传导率计算常数矩阵。[0077] 减基矩阵计算单元，用于根据若干设计样本点、所述常数矩阵、所述总体热载荷矩阵和所述igbt传热系统方程得到减基矩阵。[0078] 作为一种可选的实施方式，所述减基矩阵计算单元具体包括：[0079] igbt结构热响应计算子单元，用于根据若干设计样本点、所述常数矩阵和所述igbt传热系统方程得到各设计样本点对应的igbt结构热响应。[0080] 减基矩阵构建子单元，用于根据各设计样本点对应的igbt结构热响应构建减基矩阵。[0081] 作为一种可选的实施方式，所述寻优算法为：粒子群算法或者遗传算法。[0082] 作为一种可选的实施方式，当所述寻优算法为粒子群算法时，所述最优热传导率计算模块，具体包括：[0083] 方程系数计算单元，用于在当前迭代次数下，将当前迭代次数下待设计igbt各层的热传导率和所述减基矩阵输入所述降维后的igbt传热系统方程得到当前迭代次数下方程系数。[0084] 待设计igbt的结构热响应计算单元，用于根据当前迭代次数下所述方程系数和所述减基矩阵得到当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应。[0085] 判断单元，用于判断当前迭代次数下所述待设计igbt的结构热响应是否达到迭代停止条件。[0086] 最优热传导率计算单元，用于若达到迭代停止条件，则确定当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率为所述待设计igbt各层的最优热传导率。[0087] 迭代单元，用于若没有达到迭代停止条件，则更新当前迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率作为下次迭代次数下所述待设计igbt各层的热传导率，并进入下次迭代。[0088] 本发明实施例针对上述方法还提供了一种更加具体的基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法，本发明实施例所提方法包括离线和在线两个阶段，离线阶段通过若干组igbt温度场解构造减基矩阵并将igbt热传导矩阵的参数进行分离，随后利用该矩阵将原传热系统方程降维，从而大幅度降低正问题计算成本；在线阶段则采用粒子群寻优算法寻找igbt各层最优的热传导率匹配方案，对于任意一组样本点，根据igbt各层热传导率值，直接利用减基矩阵构造并求解降维后的传热系统方程，快速得到igbt温度场分布，高效求解目标函数响应，与热传导率无关的矩阵项(常数矩阵)和减基矩阵均在离线阶段计算、存储完毕，在线阶段无需重复计算、直接调用即可，因此可实现样本点响应的快速计算，大幅度提升igbt抗热冲击设计的效率。[0089] 步骤1：对igbt各层进行网格划分，根据igbt各层抗热冲击设计区间，选取m组设计参数(设计样本点)，构造各层热传导矩阵ki(i＝1，2…,n，n表示层数)和总体热载荷矩阵f，建立igbt传热系统方程，kt＝f(t为结构温度列向量)。设计样本点的选取具体为：假设igbt有n层，一组设计参数就是[k1,k2,..kn]1，为了构建减基矩阵，需要m组这样的设计参数去预先计算结构热响应，也就是[k1,k2,..kn]1，[k1,k2,..kn]2，[k1,k2,..kn]3，...，[k1,k2,..kn]m，每一组设计参数里的ki取值是不同的，下标i对应igbt第几层，m组设计参数通常根据设计变量的区间确定如何选取。[0090] 步骤2：根据步骤1)中建立的各层热传导矩阵ki，将热传导率参数进行分离，变换为ki＝ki*k0i，其中ki为第i层热传导率，k0i为与热传导率无关的矩阵项(常数矩阵)。[0091] 步骤3：根据步骤1)中建立的igbt传热系统方程，求解m组设计参数对应的igbt结构热响应ti(i＝1，2…,m)；设计参数确定后，要通过有限元方法计算m组参数对应的igbt结构热响应t1，t2，...，tm。[0092] 步骤4：利用步骤3)中的m组结构热响应，构造减基矩阵z，z＝[t1，t2，...，tm]，z为m×s阶矩阵，s为系统总节点数。[0093] 步骤5：根据步骤2)和步骤4)，存储k0i及z；步骤1)至步骤4)为离线阶段。[0094] 步骤6：采用粒子群寻优算法进行寻优，针对当前粒子，利用步骤4)中的减基矩阵z，将待求igbt温度向量写成如下形式：tu＝za，其中a为待求未知系数向量(方程系数)；单个粒子中携带的信息为设计变量，即igbt各层热传导率。[0095] 步骤7：利用步骤4)中的减基矩阵z，对igbt传热系统方程进行降维，原方程转化t t为：kra＝fr，其中kr＝zkz，fr＝zf。[0096] 步骤8：根据初始化的粒子和常数矩阵计算k，将k和z带入步骤7)构造的方程中，得到待求未知参数a。[0097] 步骤9：根据步骤8)中计算出的未知参数a，利用步骤4)中的减基矩阵z和步骤6)中的公式tu＝za，求解igbt结构热响应tu。[0098] 步骤10：根据步骤9)中计算出的igbt结构热响应tu，将其反馈给粒子群寻优算法，根据tu判断是更新粒子进入下次迭代(循环步骤6)至步骤10)，直至寻找到igbt各层最优热传导率设计值)还是停止迭代确定各层的最优热传导率。此处设计目标函数来判断当前设计变量对应的结构热响应是否满足设计目标，具体为：通过比对，当最优粒子对应的目标函数适应度值不再发生变化时，即认为算法达到收敛、寻找到最优解。[0099] 本发明提出基于缩减基的igbt抗热冲击设计方法，通过构造减基矩阵将igbt传热系统方程进行降维，可有效解决igbt抗热冲击设计过程中需要反复求解大规模传热系统方程的问题，大幅度降低样本点响应的计算成本，从根本上解决传统igbt抗热冲击设计效率极低的问题，有效提升igbt器件的设计水平。[0100] 对于上述优点，详细原因如下：[0101] 对于现有方法，多直接求解步骤1)中的传热系统方程kt＝f，该方程为s×s阶。[0102] 对于本发明方法，求解的是步骤7)中降维后的方程：kra＝fr，该方程为m×m阶。[0103] 随后利用步骤6)中的关系tu＝za，将a回代即可求出igbt结构热响应tu。[0104] 由于构造减基矩阵所需设计参数的数量m通常远小于系统节点数s，方程kra＝fr的计算成本要远远低于方程kt＝f。方程tu＝za为矩阵乘法运算，所增加计算成本很小。[0105] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。[0106] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

专利地区：天津

专利申请日期：2022-05-24

专利公开日期：2024-07-09

专利公告号：cn114936497b