使用AI算法的冷却剂流率瞬变的快速建模方法与流程

本公开涉及估计半导体器件对流体的热响应。本公开进一步涉及设计半导体器件。本公开还涉及一种半导体器件。

背景技术：

1、电动车辆市场正面临着对具有更低成本和更高可靠性的更高效率汽车的大量需求。在这方面，电动车辆越来越多的应用正推动对功率半导体的需求，尤其是碳化硅（sic）器件，因为它们的开关损耗显著降低。然而，关于sic功率模块的热管理仍然存在一些挑战，因为与绝缘栅双极晶体管（igbt）器件相比，sic功率模块通常具有较小的管芯（die）尺寸。

2、因此，在牵引逆变器的设计阶段，需要考虑功率半导体中发生的热效应（副作用）。这可以通过包括例如基于液体的冷却系统来解决。图1a示出了具有冷却鳍101的半导体器件100的示例。可以使冷却流体沿着这些冷却鳍流过，以将热量从半导体器件100传递到冷却流体中。

3、已知热力学模型用于对包括功率半导体和用于冷却功率半导体的冷却系统的这种系统的热力学行为进行建模。例如，在“transient dual interface test method forthe measurement of the thermal resistance junction-to-case of semiconductordevices with heat flow through a single path”（jedec标准，jesd51-14，2010年11月，jedec固态技术协会）中描述了福斯特（foster）热网络和考厄（cauer）热网络。然而，可能难以确定系统的冷却行为，这使得例如难以设定最大可允许操作功率和最佳冷却系统参数。

4、背景技术部分仅旨在提供一些当前问题的上下文概述，并不旨在穷举。在阅读以下详细描述后，其他上下文信息对于本领域技术人员来说可以变得显而易见。

技术实现思路

1、具有更好地估计半导体器件对冷却流体的热响应将是有利的。

2、为了更好地解决这一问题，在本公开的第一方面，提供了一种估计半导体器件对流体的热响应的方法，该方法包括：

3、通过创建包括具有多个模型元件的网络的模型来对半导体器件的热行为进行建模，每个模型元件包括热电容器和热电阻器；

4、为所述多个模型元件中的至少一个模型元件提供具有可变热电容的可变热电容器和具有可变热电阻的可变热电阻器；和

5、将流体的流率（flow rate）映射到所述可变热电容和所述可变热电阻。

6、该模型可以应用于估计例如与半导体器件相关联的热力学参数。发现模型中的可变元件极大地提高了模型预测半导体器件与冷却流体之间的热相互作用的能力，特别是当流体的流率可变时。

7、例如，该映射可涉及将流体的流率的时间相关曲线（time-dependent profile）映射到可变热电容的时间相关曲线和可变热电阻的时间相关曲线。已经发现，当冷却系统的流率和/或冷却能力不恒定时，这些变化可以通过添加模型参数（例如热电容和热电阻）的时间相关曲线来进行建模。

8、映射时间相关曲线的步骤可以包括应用习得模型，例如前向神经网络。该习得模型可能已经被预先训练以学习映射。与其他映射方法相比，该习得模型提高了映射的计算效率。

9、该方法还可以包括基于使用有限元方法预先计算的基准真值（ground truth）示例来训练习得模型，以将流体的流率的时间相关曲线映射到可变热电容的时间相关曲线和/或可变热电阻的时间相关曲线。在训练之后，习得模型可以比有限元方法更有效地映射曲线。作为有限元方法的替代，可以使用经验测量的测试数据来生成用于训练习得模型的基准真值示例。

10、网络可以表示半导体封装中从半导体结到冷却流体的热流（thermal flow）。这是半导体器件中和周围的热流的非常重要的部分。

11、根据本公开的另一方面，提供了一种用于预测半导体器件对流体的热响应的装置。该装置包括处理器系统，所述处理器系统被配置为：

12、通过具有按顺序布置的多个模型元件的网络对半导体器件的热行为进行建模，每个模型元件包括热电容器和热电阻器，其中所述多个模型元件中的至少一个模型元件具有可变热电容器和可变热电阻器，所述可变热电容器具有可变热电容，所述可变热电阻器具有可变热电阻；和

13、将流体的流率映射到所述可变热电容和所述可变热电阻。

14、该装置还可以包括习得模型，该习得模型配置为将流体的流率的时间相关曲线映射到可变热电容的时间相关曲线和可变热电阻的时间相关曲线。

15、还可以包括半导体器件。处理器系统还可以被配置为：建立流体的流率的时间相关曲线；使用所述习得模型来建立所述可变热电容的所述时间相关曲线和/或所述可变热电阻的所述时间相关曲线；以及使用包括可变热电容器和可变热电阻器的网络来计算结温的估计的时间相关曲线。这为半导体器件提供了改进的信息，以在考虑到半导体器件中的热累积的情况下执行对其操作的改进控制。

16、根据本公开的另一方面，提供了一种设计具有至少一个半导体功率管芯的半导体器件的方法。所述方法包括：

17、设计具有所述管芯和冷却单元的所述半导体器件，所述冷却单元包括用于邻近所述半导体器件的流体的导管和泵，所述泵被配置为生成所述管芯附近的所述流体的流率的时间相关曲线；和

18、使用所阐述的方法或所阐述的装置计算对应于所述时间相关曲线的温度曲线。

19、设计半导体器件的方法还可以包括基于所计算的温度曲线来适配半导体器件的设计。

20、在设计半导体器件的方法中，适配可以包括选择与流体的导管相邻的冷却鳍（cooling fin）热交换器的冷却鳍设计，或者基于计算出的温度曲线选择功率转换封装中要使用的流率的时间相关曲线。这改善了半导体器件的热力学行为。

21、根据本公开的另一方面，提供了一种半导体器件，其中该半导体器件根据所阐述的方法来设计。

22、本领域技术人员将理解，上述特征可以以认为有用的任何方式组合。

1.一种估计半导体器件对冷却功率的热响应的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述映射（1404）包括：将所述流体的流率（ft）的时间相关曲线映射到所述可变热电容器（c5）的时间相关曲线和/或所述可变热电阻器（r5）的时间相关曲线。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，映射（1404）所述时间相关曲线包括：应用习得模型（1001），例如前向神经网络，所述习得模型（1001）已经被训练以学习所述映射。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：基于使用有限元方法预先计算的基准真值示例，训练（1401）所述习得模型（1002）以将所述流体的所述流率（ft）的所述时间相关曲线映射到所述可变热电容器（c5）的所述时间相关曲线和/或所述可变热电阻器（r5）的所述时间相关曲线。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述网络（400）表示半导体封装（100）中从半导体（102）结（106）到所述冷却流体（107）的热流。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，应用（1405）所述模型包括：

7.一种用于预测半导体器件对流体的热响应的装置，所述装置包括处理器系统，所述处理器系统被配置为：

8.根据权利要求7所述的装置，还包括习得模型（1001），所述习得模型（1001）被配置为将所述流体的流率（ft）的时间相关曲线映射到所述可变热电容器（c5）的时间相关曲线和所述可变热电阻器（r5）的时间相关曲线。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括所述半导体器件（100）和包括所述流体（107）的冷却系统（103、104），其中，所述处理器系统还被配置为：

10.一种设计具有至少一个半导体功率管芯的半导体器件的方法，所述方法包括：

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：基于所计算的温度曲线来适配（1503）所述半导体器件（100）的设计。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述适配（1503）包括：选择与用于所述流体（107）的所述导管（103）相邻的引脚鳍热交换器（101）的引脚鳍设计，或者基于所计算的温度曲线来选择要在所述半导体器件（100）中使用的所述流率（ft）的所述时间相关曲线。

13.一种根据权利要求10至12中任一项所述的方法设计的半导体器件（100）。