一种基于IGBT高温特性的有限元建模方法及系统与流程

一种基于igbt高温特性的有限元建模方法及系统
技术领域
1.本发明涉及模拟仿真技术领域，特别涉及一种基于igbt高温特性的有限元建模方法及系统。


背景技术：

2.绝缘栅双极晶体管（igbt）是一种综合了功率场效应晶体管（mosfet）和双极型晶体管（bjt）结构的复合器件，并且同时吸收了两者的优点，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动功率小、饱和压降低、控制电路简单、承受电流大等特性，在各种电力电子变换装置中得到广泛的应用。
3.在模拟仿真技术领域，现有的igbt模型并没有用于高温特性仿真的模型，因此为了实现对igbt的高温特性的模拟，亟需一种建立基于igbt高温特性的模型的方法。


技术实现要素：

4.本发明目的之一在于提供了一种基于igbt高温特性的有限元建模方法，实现构建igbt的用于高温特性分析的有限元模型。
5.本发明实施例提供的一种基于igbt高温特性的有限元建模方法，包括：构建igbt的实体模型；对实体模型进行网格划分，获取多个第一有限元单元；定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的第一类温度传递参数，获得初始模型；在初始模型外侧构建多个虚拟的第二有限元单元，获取初始模型的设置环境；基于设置环境，定义第二有限元单元的第二类温度传递参数，获得最终模型。
6.优选的，对实体模型进行网格划分，获取多个第一有限元单元，包括：解析实体模型，确定各个物质接触面；基于各个物质接触面，确定多个分割平面；基于多个分割平面，将实体模型分割为多个第一有限元单元。
7.优选的，定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的温度传递参数，获得初始模型，包括：确定第一有限元单元位于实体模型的位置；基于位置，确定第一有限元单元是否为igbt运行时的发热部位；当是发热部位时，将发热参数中触发函数定义为预设的第一数值；当不是发热部位时，将发热参数中触发函数定义为预设的第二数值。
8.优选的，定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的温度传递参数，获得初始模型，包括：当触发函数被定义为第一数值时，基于位置，确定第一有限元单元的材质数据以
及电阻等效方向；基于电阻等效方向和第一有限元单元的空间尺寸，确定用于确定等效电阻确定的尺寸参数；基于材质数据、尺寸参数和预设的等效电阻确定库，确定第一有限元单元的等效电阻。
9.优选的，定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的第一类温度传递参数，获得初始模型，包括：确定第一有限元单元位于实体模型的位置；基于位置，确定第一有限元单元的材质数据；基于材质数据和预设的导热系数确定库，确定第一有限单元的第一类温度传递参数中的导热率；基于材质数据和预设的比热容确定库，确定第一有限单元的第一类温度传递参数中的比热容。
10.优选的，在初始模型外侧构建多个虚拟的第二有限元单元，包括：构建包裹初始模型的密闭的虚拟空间；确定位于初始模型外周的第一有限元单元，作为参考单元；确定各个参考单元在初始模型外周上的接触边界；将各个接触边界分别沿着初始模型位于接触边界所在的一侧的中心轴线的方向延伸后切割位于初始模型外侧的虚拟空间，形成多个待确认单元；将与参考单元接触的待确认单元作为第二有限元单元。
11.优选的，获取初始模型的设置环境，包括：获取与初始模型的外周各个接触面的接触的情况；解析各个接触面的接触的情况，当存在散热模块时，获取散热模块的参数数据；当不存在散热模块时，获取接触介质的性状信息；其中，参数数据包括散热类型、导热材料厚度、导热材料材质、导热材料性能、接触面积其中一种或多种结合；性状信息包括：介质种类、介质与初始模型接触的接触面的垂直方向的介质厚度。
12.优选的，基于设置环境，定义第二有限元单元的第二类温度传递参数，获得最终模型，包括：解析设置环境，确定第二有限元单元对应的环境数据；对环境数据进行特征提取，获取多个环境特征参数值；整合多个环境特征参数值，确定参数集；将参数集与预设的第二类温度传递参数确定库中各个标准集进行匹配；获取第二类温度传递参数确定库中与参数集匹配的标准集所关联的第二类温度传递参数集；解析第二类温度传递参数集，确定第二类温度传递参数。
13.本发明还提供一种基于igbt高温特性的有限元建模系统，包括：构建模块，用于构建igbt的实体模型；网格划分模块，用于对实体模型进行网格划分，获取多个第一有限元单元；
第一定义模块，用于定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的第一类温度传递参数，获得初始模型；虚拟构建模块，用于在初始模型外侧构建多个虚拟的第二有限元单元，获取模块，用于获取初始模型的设置环境；第二定义模块，用于基于设置环境，定义第二有限元单元的第二类温度传递参数，获得最终模型。
14.优选的，网格划分模块对实体模型进行网格划分，获取多个第一有限元单元，执行如下操作：解析实体模型，确定各个物质接触面；基于各个物质接触面，确定多个分割平面；基于多个分割平面，将实体模型分割为多个第一有限元单元。
15.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
16.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
17.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明实施例中一种基于igbt高温特性的有限元建模方法的示意图；图2为本发明实施例中一种基于igbt高温特性的有限元建模方法的示意图。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
19.本发明实施例提供了一种基于igbt高温特性的有限元建模方法，如图1所示，包括：步骤s1：构建igbt的实体模型；步骤s2：对实体模型进行网格划分，获取多个第一有限元单元；步骤s3：定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的第一类温度传递参数，获得初始模型；步骤s4：在初始模型外侧构建多个虚拟的第二有限元单元，步骤s5：获取初始模型的设置环境；步骤s6：基于设置环境，定义第二有限元单元的第二类温度传递参数，获得最终模型。
20.上述技术方案的工作原理及有益效果为：在构建的igbt的实体模型上进行网络分割，将igbt分割为一个个第一有限元单元，并且适应性地在实体模型外周构建多个虚拟的第二有限元单元，然后对第一有限元单元进行定义，定义其发热参数及第一类温度传递参数，以及对第二有限元单元进行第二温
度传递参数的定义，实现模型的构建，通过上述步骤构建的模型可以模拟igbt在工作时的发热情况以及内部的温度传递情况，其中，通过第二有限元单元实现模拟igbt与外界的温度传递，为igbt的温度方面的分析提供模型。此外，在对第一有限单元的定义时，还根据igbt内部电能传递路径对参与电能传递动作的第一有限元单元进行电学参数定义；电学参数包括电能传递方向、电导率等。
21.在一个实施例中，对实体模型进行网格划分，获取多个第一有限元单元，包括：解析实体模型，确定各个物质接触面；基于各个物质接触面，确定多个分割平面；基于多个分割平面，将实体模型分割为多个第一有限元单元。
22.上述技术方案的工作原理及有益效果为：通过确定物质接触面，将物质接触面所在的平面作为分割平面，对实体模型进行分割，保证分割出来的第一有限元单元内部的物质的一致性，其物质保持一致，其物理性质也就一致，便于模拟分析。其中，物质接触面包括：集电极与p 层接触的平面、p 层与n缓冲区的接触的平面、n基极与p 基极的接触的平面等。
23.在一个实施例中，定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的温度传递参数，获得初始模型，包括：确定第一有限元单元位于实体模型的位置；基于位置，确定第一有限元单元是否为igbt运行时的发热部位；当是发热部位时，将发热参数中触发函数定义为预设的第一数值；当不是发热部位时，将发热参数中触发函数定义为预设的第二数值。
24.上述技术方案的工作原理及有益效果为：通过定义触发函数，实现在模拟时，系统分辨第一有限元单元是否在运行过程中产生热量；其中，第一数值可以为1；第二数值可以为0；即在模拟运行时当触发函数为1时，说明该第一有限元单元产生热量；当触发函数为0时，说明该第一有限元单元产生热量。其中，确定第一有限元单元位于实体模型的位置；基于位置，确定第一有限元单元是否为igbt运行时的发热部位，主要根据第一有限元单元是否存在电流经过来进行发热部位的判断。
25.在一个实施例中，定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的温度传递参数，获得初始模型，包括：当触发函数被定义为第一数值时，基于位置，确定第一有限元单元的材质数据以及电阻等效方向；基于电阻等效方向和第一有限元单元的空间尺寸，确定用于确定等效电阻确定的尺寸参数；基于材质数据、尺寸参数和预设的等效电阻确定库，确定第一有限元单元的等效电阻。
26.上述技术方案的工作原理及有益效果为：通过等效电阻确定库，确定各个第一有限元单元发热时产生热量的计算的等效电阻，其中，电阻等效方向为第一有限元单元内流过电流时，电流的方向；因此，基于电阻等效方向和第一有限元单元的空间尺寸，确定用于确定等效电阻确定的尺寸参数，实际为第一有限元单元的空间尺寸在电阻等效方向上的采样，采样包括截面积以及长度等；在等效电
阻确定库中材质数据、尺寸参数和等效电阻一一对应关联；并且等效电阻确定库是基于大量的不同的材质进行检测试验构建。
27.在一个实施例中，定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的第一类温度传递参数，获得初始模型，包括：确定第一有限元单元位于实体模型的位置；基于位置，确定第一有限元单元的材质数据；基于材质数据和预设的导热系数确定库，确定第一有限单元的第一类温度传递参数中的导热率；基于材质数据和预设的比热容确定库，确定第一有限单元的第一类温度传递参数中的比热容。
28.上述技术方案的工作原理及有益效果为：通过各个第一有限元单元的材质数据、预设的导热系数确定库以及比热容确定库，确定导热率和比热容；前者表征着传热属性，后者表征自身的温度的升降属性；通过确定导热率和比热容，保证温度方面的仿真的准确；其中，导热系数确定库中材质数据与导热率一一对应关联；比热容确定库中比热容与材质数据一一对应关联；材质数据包括：第一有限元单元中各个材料的类型以及占比。
29.在一个实施例中，在初始模型外侧构建多个虚拟的第二有限元单元，包括：构建包裹初始模型的密闭的虚拟空间；确定位于初始模型外周的第一有限元单元，作为参考单元；确定各个参考单元在初始模型外周上的接触边界；将各个接触边界分别沿着初始模型位于接触边界所在的一侧的中心轴线的方向延伸后切割位于初始模型外侧的虚拟空间，形成多个待确认单元；将与参考单元接触的待确认单元作为第二有限元单元。
30.上述技术方案的工作原理及有益效果为：以位于初始模型外周的第一有限元单元为参考单元，通过参考单元之间在初始模型外周上的接触边界以及初始模型该侧的中心轴线为分割参考，实现准确有效的第二有限元单元的分割；其中，中心轴线为初始模型的中心与该侧平面的垂直线。
31.在一个实施例中，获取初始模型的设置环境，包括：获取与初始模型的外周各个接触面的接触的情况；在igbt通过至散热模块上的情景下时，其中，散热模块包括导热材料以及水冷管等；此时，各个接触面的接触情况为，底部接触的散热模块，其他接触面接触的为空气；解析各个接触面的接触的情况，当存在散热模块时，获取散热模块的参数数据；当不存在散热模块时，获取接触介质的性状信息；其中，参数数据包括散热类型、导热材料厚度、导热材料材质、导热材料性能、接触面积其中一种或多种结合；性状信息包括：介质种类、介质与初始模型接触的接触面的垂直方向的介质厚度。
32.其中，基于设置环境，定义第二有限元单元的第二类温度传递参数，获得最终模型，包括：解析设置环境，确定第二有限元单元对应的环境数据；
对环境数据进行特征提取，获取多个环境特征参数值；环境特征参数值包括：表征是否接触散热模块的环境特征参数值、表征接触的介质类型的环境特征参数值、表征导热材料厚度的环境特征参数值、导热材料材质的环境特征参数值、导热材料性能的环境特征参数值、接触面积的环境特征参数值等；整合多个环境特征参数值，确定参数集；通过空白的参数集模板，将各个环境特征参数集填入对应的位置，对空余位置进行预设值填充，形成参数集；将参数集与预设的第二类温度传递参数确定库中各个标准集进行匹配；获取第二类温度传递参数确定库中与参数集匹配的标准集所关联的第二类温度传递参数集；解析第二类温度传递参数集，确定第二类温度传递参数。
33.上述技术方案的工作原理及有益效果为：通过第二类温度传递参数确定库，对第二有限元单元的第二类温度传递参数进行定义；第二类温度传递参数包括散热效率等；表征了第二有限元单元对于igbt的模型的散热效果。其中，在将参数集与预设的第二类温度传递参数确定库中各个标准集进行匹配时，可以通过计算参数集和标准集的相似度实现匹配的判断，先计算参数集与各个标准集的相似度，比较相似度的大小；提取相似度最大时对应的标准集为与参数集匹配的标准集；其中相似度计算公式如下：；式中，为参数集和标准集之间的相似度；为标准集的第个数据值；为参数集的第个数据值；为参数集或标准集的数据总数。
34.本发明还提供一种基于igbt高温特性的有限元建模系统，如图2所示，包括：构建模块1，用于构建igbt的实体模型；网格划分模块2，用于对实体模型进行网格划分，获取多个第一有限元单元；第一定义模块3，用于定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的第一类温度传递参数，获得初始模型；虚拟构建模块4，用于在初始模型外侧构建多个虚拟的第二有限元单元，获取模块5，用于获取初始模型的设置环境；第二定义模块6，用于基于设置环境，定义第二有限元单元的第二类温度传递参数，获得最终模型。
35.在一个实施例中，网格划分模块2对实体模型进行网格划分，获取多个第一有限元单元，执行如下操作：解析实体模型，确定各个物质接触面；基于各个物质接触面，确定多个分割平面；基于多个分割平面，将实体模型分割为多个第一有限元单元。
36.在一个实施例中，第一定义模块3定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的温度传递参数，获得初始模型，执行如下操作：确定第一有限元单元位于实体模型的位置；
基于位置，确定第一有限元单元是否为igbt运行时的发热部位；当是发热部位时，将发热参数中触发函数定义为预设的第一数值；当不是发热部位时，将发热参数中触发函数定义为预设的第二数值。
37.在一个实施例中，第一定义模块3定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的温度传递参数，获得初始模型，执行如下操作：当触发函数被定义为第一数值时，基于位置，确定第一有限元单元的材质数据以及电阻等效方向；基于电阻等效方向和第一有限元单元的空间尺寸，确定用于确定等效电阻确定的尺寸参数；基于材质数据、尺寸参数和预设的等效电阻确定库，确定第一有限元单元的等效电阻。
38.在一个实施例中，第一定义模块3定义各个第一有限元单元的发热参数并定义第一有限元单元的第一类温度传递参数，获得初始模型，执行如下操作：确定第一有限元单元位于实体模型的位置；基于位置，确定第一有限元单元的材质数据；基于材质数据和预设的导热系数确定库，确定第一有限单元的第一类温度传递参数中的导热率；基于材质数据和预设的比热容确定库，确定第一有限单元的第一类温度传递参数中的比热容。
39.在一个实施例中，虚拟构建模块4在初始模型外侧构建多个虚拟的第二有限元单元，执行如下操作：构建包裹初始模型的密闭的虚拟空间；确定位于初始模型外周的第一有限元单元，作为参考单元；确定各个参考单元在初始模型外周上的接触边界；将各个接触边界分别沿着初始模型位于接触边界所在的一侧的中心轴线的方向延伸后切割位于初始模型外侧的虚拟空间，形成多个待确认单元；将与参考单元接触的待确认单元作为第二有限元单元。
40.在一个实施例中，获取模块5获取初始模型的设置环境，执行如下操作：获取与初始模型的外周各个接触面的接触的情况；解析各个接触面的接触的情况，当存在散热模块时，获取散热模块的参数数据；当不存在散热模块时，获取接触介质的性状信息；其中，参数数据包括散热类型、导热材料厚度、导热材料材质、导热材料性能、接触面积其中一种或多种结合；性状信息包括：介质种类、介质与初始模型接触的接触面的垂直方向的介质厚度。
41.在一个实施例中，第二定义模块6基于设置环境，定义第二有限元单元的第二类温度传递参数，获得最终模型，执行如下操作：解析设置环境，确定第二有限元单元对应的环境数据；对环境数据进行特征提取，获取多个环境特征参数值；整合多个环境特征参数值，确定参数集；
将参数集与预设的第二类温度传递参数确定库中各个标准集进行匹配；获取第二类温度传递参数确定库中与参数集匹配的标准集所关联的第二类温度传递参数集；解析第二类温度传递参数集，确定第二类温度传递参数。
42.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。