【技术实现步骤摘要】
一种压接式IGBT器件结构优化设计方法
本专利技术主要涉及大功率半导体器件结构设计
，尤其涉及一种压接式IGBT器件结构优化设计方法。
技术介绍
压柔性直流输电技术的快速发展对其核心装备中电力电子器件的容量和可靠性提出了严苛的要求。绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)便是其中最为典型一类全控型电压驱动式功率半导体器件。压接式IGBT器件相比于传统焊接式IGBT模块具有双面散热、易于串联、功率密度大和失效短路工作模式等优点，非常适用于电力系统等高压大功率应用场景。压接式IGBT从结构上大体可以分为两种形式，以WESTCODE为代表的硬压接和以ABB为代表的弹簧压接。各种硬压接IGBT器件的结构大体一致：IGBT与FRD芯片先分别封装成子模组，各模组按照银片、下钼片、芯片及上钼片以此堆叠在塑料框架中，同时IGBT子模组还设计有弹簧引针以连接芯片栅极与电路板；将各子模组装入陶瓷管壳形成IGBT器件。与弹簧压接形式相比，硬压接采用弹性模量较小的银片以均衡各子模组的压力，具...
【技术保护点】
1.一种压接式IGBT器件结构优化设计方法，其特征在于：该方法包括以下处理步骤：/n(1)基于待优化的压接式IGBT器件，选取设计目标，所述带优化的压接式IGBT器件由1个壳体模组和n个子模组组成，所述设计目标设定为最小化所述各子模组与所述壳体模组之间接触应力S；/n(2)基于所述压接式IGBT器件，建立热力耦合有限元分析模型M0，进一步地选取耦合温度-位移稳态求解器对所述有限元分析模型M0求解，得到所述IGBT器件中各子模组芯片上的最大应力S
【技术特征摘要】
1.一种压接式IGBT器件结构优化设计方法，其特征在于：该方法包括以下处理步骤：
(1)基于待优化的压接式IGBT器件，选取设计目标，所述带优化的压接式IGBT器件由1个壳体模组和n个子模组组成，所述设计目标设定为最小化所述各子模组与所述壳体模组之间接触应力S；
(2)基于所述压接式IGBT器件，建立热力耦合有限元分析模型M0，进一步地选取耦合温度-位移稳态求解器对所述有限元分析模型M0求解，得到所述IGBT器件中各子模组芯片上的最大应力Sp,p＝1,2,...,n；其中p表示所述子模组的序号；
(3)基于各芯片的位置及应力值，建立应力平衡系数响应面；
(4)组成初始系数向量a(0)为初始点，构建优化模型并对其求解得到最优系数向量a*；
(5)基于最优平衡系数，构建银片设计方案。
2.根据权利要求1所述的一种压接式IGBT器件结构优化设计方法，其特征在于：在步骤1中，所述子模组包括IGBT子模组和FRD子模组，所述IGBT子模组集中设置，所述FRD子模组设置在所述IGBT子模组的外围，所述FRD子模组的数量为14个，所述IGBT子模组的数量为30个。
3.根据权利要求1所述的一种压接式IGBT器件结构优化设计方法，其特征在于：在步骤(2)中，对压接式IGBT器件20建立基于X方向和Y方向对称的1/4型有限元分析模型M0，在相互作用方面，对模型M0中的集电极铜块的上表面、发射极铜块的下表面上建立表面热交换条件以模拟实际的冷板散热效应，设置环境温度和热交换系数。
4.根据权利要求3所述的一种压接式IGBT器件结构优化设计方法，其特征在于：在边界条件方面，对下表面建立固支边界条件，对第一区域(3003)建立基于X方向的对称边界条件，对第二区域(3004)建立基于Y方向的对称边界条件。
5.根据权利要求3所述的一种压接式IGBT器件结构优化设计方法，其特征在于：在载荷方面，在集电极铜块上表面上施加压力F；对4个芯片(3012～3042)施加每芯片的热载荷P1，对9个芯片(3155～3232)施加每芯片热载荷P2。
6.根据权利要求1所述的一种压接式IGBT器件结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(3)中建立应力平衡系数响应面的流程为：
(3.1)将Sp,p＝1,2,...,n转换成对角矩阵S，可写成：
(3.2)对矩阵S求逆得到对角矩阵S-1，对S-1提取对角元素得到向量r＝(r1,r2,...,rn)，将r中各元素转换到[0,1]区间得到应力平衡系数Rp，转换方法为：Rp＝rp/max(r),p＝1,2,...,n，其中max表示在向量各元素中取最大值；
(3.3)Rp与其所在点的位置坐标(Xp,Yp)存在一一对应的关系，可写成Rp＝R(Xp,Yp)，选取二元k次多项式对R(Xp,Yp)构建响应面Ra：
Ra＝a1+a2·PX+a3·PY+a4·PX2+a5·PY2+a6·PX·PY+...+aj·PXk+aj+1·PYk+...+am·PXk-1·PY
(3.4)迭代初始化，设迭代步k＝1，设置收敛限ε为一个较小的正数；
(3.5)基于所述平衡系数，采用最小二乘法对Ra(Xp,Yp)进行拟合；
(3.6)计算各点的拟合误差，计算方法为：ERp＝abs(Rp-R(Xp,Yp)),p＝1,2,...,n，在此基础上计算最大拟合误差ERmax＝max(ERp),p＝1,2,...,n；其中，abs()表示绝对值计算；
(3.7)判断是否收敛，如ERmax≤ε则停止迭代并输出Ra(Xp,Yp)并得到初始系数向量a(0)＝(a1(0),a2(0),...,am(0))，否则置k:＝k+1并转步骤(3.5)。
7.根据权利要求5所述的一种压接式IGBT器件结构优化设计方法，其特征在于：在步骤(3)中建立应力平衡系数响应面的流程为：
(3.1)提取最大应力Sp的数据，将Sp,p＝1,2,...,13转换成对角矩阵S，可写成：
(3.2)对矩阵S求逆得到对角矩阵S-1；存在S·S-1＝I，其中I表示维度nP＝13元素均为1的向量；对S-1提取对角元素得到向量r＝(r1,r2,...,r13)，将r中各元素转换到[0,1]区间：Rp＝rp/max(r),p＝1,2,...,13，其中max表示取最大值，将R中各元素可称之对应位置的平衡系数；
(3.3)Rp与其所在点的位置坐标(Xp,Yp)存在一一对应的关系，可写成Rp＝R(Xp,Yp)；R为变量Xp,Yp的隐函数，选取二元k次多项式对R(Xp,Yp)构建响应面Ra：
Ra＝a1+a2·PX+a3·PY+a4·PX2+a5·PY2+a6·PX·PY+...+aj·PXk+aj+1·PYk+...+am·PXk-1·PY
(3.4)迭代初始化，设迭代步k＝1，收敛限ε；
(3.5)基于所得平衡系数，采用最小二乘法对Ra(Xp,Yp)进行拟合；
(3.6)计算各点的拟合误差：ERp＝abs(Rp-R(Xp,Yp)),p＝1,2,...,13，在此基础上计算最大拟合误差ERmax＝max(ERp),p＝1,2,...,13；其中，abs()表示绝对值计算；
(3.7)判断是否收敛，如ERmax≤ε则停止迭代并输出Ra(Xp,Yp)，否则置k:＝k+1并转...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄志亮，阳同光，黎灿兵，李文芳，周理，袁越阳，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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