一种基于降阶方法的IGBT瞬态温度快速计算方法技术

一种基于降阶方法的IGBT瞬态温度快速计算方法，首先建立IGBT的电热耦合方程强形式及其耦合机制，然后建立IGBT电热耦合强形式及其耦合机制的有限维空间有限元形式，随后对该有限维空间有限元形式做离散化，将偏微分方程转化为矩阵方程，在采集IGBT温度样本矩阵X2，采用奇异值分解法对温度样本矩阵X2进行降阶处理，并根据截断误差选取特征值数量用于描述整个温度样本矩阵X2，将降阶处理后的温度样本矩阵X2代入由前述矩阵方程中，再对矩阵方程进行整体降阶处理，最后求解经整体降阶处理后的矩阵方程，即可得到IGBT瞬态温度。本方法既能保证计算精度，又能减少计算量，大幅提高IGBT的全局瞬态温度计算效率。全局瞬态温度计算效率。全局瞬态温度计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于降阶方法的IGBT瞬态温度快速计算方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种基于降阶方法的IGBT瞬态温度快速计算方法。

技术介绍

[0002]由于IGBT模块的开关频率不断提高，使得IGBT电力电子系统瞬态电磁过程具有多时间尺度，引发了一系列的电路仿真与多物理场耦合计算问题。IGBT的瞬态温度是衡量IGBT是否健康的重要参数，而有限元计算等常规计算方法所需的时间和成本过大。因此，亟需一种既能保证计算精度，又能大幅提高IGBT的全局瞬态温度计算效率的计算方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是克服现有技术存在的上述问题，提供一种既能保证计算精度，又能大幅提高计算效率的基于降阶方法的IGBT瞬态温度快速计算方法。
[0004]为实现以上目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0005]一种基于降阶方法的IGBT瞬态温度快速计算方法，该计算方法依次包括以下步骤：
[0006]S1、建立IGBT电热耦合强形式及其耦合机制；
[0007]S2、建立IGBT电热耦合强形式及其耦合机制的有限维空间有限元形式；
[0008]S3、对IGBT电热耦合强形式及其耦合机制的有限维空间有限元形式做离散化处理，将其由偏微分方程转化为矩阵方程；
[0009]S4、采集IGBT温度样本矩阵X2，再采用奇异值分解法对温度样本矩阵X2进行降阶处理，并根据截断误差选取特征值数量用于描述整个温度样本矩阵X2；
[0010]S5、将降阶处理后的温度样本矩阵X2代入由步骤S3得到的矩阵方程中，对矩阵方程进行整体降阶处理，最后求解经整体降阶处理后的矩阵方程，即可实现IGBT瞬态温度的快速计算。
[0011]步骤S1中，所述IGBT电热耦合强形式及其耦合机制为：
[0012][0013][0014][0015]γ(T)＝ρ0((1+α(T
‑
T
ref
))
[0016]上式中，上式中，表示在这个有界区域内的向量，为梯度，为处的电势，ρ为材料密度，C
p
为定压比热，k为导热系数，t为时刻，表示在处的温度，Q为热量，γ为电导率，分别表示为x、y、z的偏导，γ(T)表示温度为T时的电导率，ρ0为参考密度，α为电阻温度系数，T
ref
为参考温度。
[0017]所述步骤S2依次按照以下步骤进行：
[0018]S21、基于IGBT电热耦合强形式及其耦合机制求T∈H1(Ω)，推导出IGBT电热耦合强形式及其耦合机制的无限维空间有限元形式，所述无限维空间有限元形式为：
[0019][0020][0021][0022](Tt，v2)+a(T，v2)＝(Q，v2)
[0023][0024](Tt，v2)＝∫
Ω
ρC
p
T
·
v2dxdydz
[0025][0026]上式中，(Q，v2)表示Q和v2内积，H为希尔伯特空间，H1(Ω)上标表示原函数及其1阶导数平方可积，中下标表示v1在H1(Ω)边界为0，下标表示v2在H1(Ω)边界为0，表示电势，v1为电势测试函数，v2为温度测试函数，Q表示热量，k表示温度方程的系数，表示温度变化量，表示电势测试函数变化量，表示温度测试函数变化量，T
t
为温度T对时刻t求导；
[0027]S22、引入时间T1，基于IGBT电热耦合强形式及其耦合机制的无限维空间有限元形式求T
1h
∈U
2h
，推导出其有限维空间有限元形式，所述有限维空间有限元形式为：
[0028][0029][0030](T
t
，v
2h
)+a(T，v
2h
)＝(Q，v
2h
)
[0031][0032]上式中，表示在U
1h
这个时空空间下的电势，v
1h
表示U
2h
这个时空空间内的电势测试函数，v
2h
表示U
2h
这个时空空间内的温度测试函数，为有限元子空间，表示U
2h
为由0到T1在U
1h
空间的时空空间，T
1h
表示在U
2h
这个时空空间的温度，φ
j
表示有限元节点值，Ns为有限元总节点数，T
j
为j这个节点的温度，表示与t内积，为节点的电势，表示v
1h
在U
2h
的边界为0，表示v
2h
在U
2h
的边界为0。
[0033]所述步骤S3依次按照以下步骤进行：
[0034]S31、选择测试函数V
1h
，v
2h
＝φ
i
(i＝1，2，
…
，Ns)，对由步骤S2得到的IGBT电热耦合方程及其耦合机制的有限维空间有限元形式进行数值积分，经数值积分得到以下方程：
[0035][0036]上式中，c1、c2分别为方程系数，T
j
、分别代表j这个有限元节点的温度和电势，为测试函数φ
i
的梯度，为测试函数φ
j
的梯度，T
j
(t)表示在t时刻的T
j
；
[0037]S32、根据经数值积分得到的方程，定义电势刚度矩阵A1、温度刚度矩阵A2、关于温度的质量矩阵M、热源载荷向量其中，所述电势刚度矩阵A1为：
[0038][0039]所述温度刚度矩阵A2为：
[0040][0041]所述关于温度的质量矩阵M为：
[0042][0043]所述热源载荷向量为：
[0044][0045]S33、先将电势刚度矩阵A1、温度刚度矩阵A2、关于温度的质量矩阵M、热源载荷向量代入到标量电位的矩阵方程和温度的常微分方程中，然后采用向后欧拉法对温度的常微分方程进行离散化处理得到方程一，整理方程一得到方程二，将方程二左右同乘Δt得到矩阵方程，所述标量电位的矩阵方程为：
[0046]A1X1＝0
[0047]上式中，
[0048]所述温度的常微分方程为：
[0049][0050]上式中，X2(t)表示t时刻的温度向量，X2′
(t)表示为t时刻的温度向量的一阶导数，
[0051]所述方程一具体为：
[0052][0053]上式中，Δt表示m到m+1时刻的时间差，表示m+1时刻的温度向量，表示m时刻的温度向量，p
m
‑
1为终止时刻，A(t
m+1
)为在m+1时刻的温度刚度矩阵，为在m+1时刻的热源载荷向量；
[0054]所述方程二为：
[0055][0056]所述矩阵方程为：
[0057][0058]所述步骤S4依本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于降阶方法的IGBT瞬态温度快速计算方法，其特征在于：所述计算方法依次包括以下步骤：S1、建立IGBT电热耦合强形式及其耦合机制；S2、建立IGBT电热耦合强形式及其耦合机制的有限维空间有限元形式；S3、对IGBT电热耦合强形式及其耦合机制的有限维空间有限元形式做离散化处理，将其由偏微分方程转化为矩阵方程；S4、采集IGBT温度样本矩阵X2，再采用奇异值分解法对温度样本矩阵X2进行降阶处理，并根据截断误差选取特征值数量用于描述整个温度样本矩阵X2；S5、将降阶处理后的温度样本矩阵X2代入由步骤S3得到的矩阵方程中，对矩阵方程进行整体降阶处理，最后求解经整体降阶处理后的矩阵方程，即可实现IGBT瞬态温度的快速计算。2.根据权利要求1所述的一种基于降阶方法的IGBT瞬态温度快速计算方法，其特征在于：步骤S1中，所述IGBT电热耦合强形式及其耦合机制为：步骤S1中，所述IGBT电热耦合强形式及其耦合机制为：步骤S1中，所述IGBT电热耦合强形式及其耦合机制为：γ(T)＝ρ0((1+α(T
‑
T
ref
))上式中，上式中，表示在这个有界区域内的向量，为梯度，为处的电势，ρ为材料密度，C
p
为定压比热，k为导热系数，t为时刻，表示在处的温度，Q为热量，γ为电导率，分别表示为x、y、z的偏导，γ(T)表示温度为T时的电导率，ρ0为参考密度，α为电阻温度系数，T
ref
为参考温度。3.根据权利要求2所述的一种基于降阶方法的IGBT瞬态温度快速计算方法，其特征在于：所述步骤S2依次按照以下步骤进行：S21、基于IGBT电热耦合强形式及其耦合机制求推导出IGBT电热耦合强形式及其耦合机制的无限维空间有限元形式，所述无限维空间有限元形式为：形式，所述无限维空间有限元形式为：形式，所述无限维空间有限元形式为：(Tt，v2)+a(T，，v2)＝(Q，v2)(Tt，v2)＝∫
Ω
ρC
p
T
·
v2dxdydz
上式中，(Q，v2)表示Q和v2内积，H为希尔伯特空间，H1(Ω)上标表示原函数及其1阶导数平方可积，中下标表示v1在H1(Ω)边界为0，中下标表示v2在H1(Ω)边界为0，表示电势，v1为电势测试函数，v2为温度测试函数，Q表示热量，k表示温度方程的系数，表示温度变化量，表示电势测试函数变化量，表示温度测试函数变化量，T
t
为温度T对时刻t求导；S22、引入时间T1，基于IGBT电热耦合强形式及其耦合机制的无限维空间有限元形式求T
1h
∈U
2h
，推导出其有限维空间有限元形式，所述有限维空间有限元形式为：间有限元形式为：(T
t
，v
2h
)+a(T，v
2h
)＝(Q，v
2h
)上式中，表示在U
1h
这个时空空间下的电势，v
1h
表示U
2h
这个时空空间内的电势测试函数，v
2h
表示U
2h
这个时空空间内的温度测试函数，为有限元子空间，表示U
2h
为由0到T1在U
1h
空间的时空空间，T
1h
表示在U
2h
这个时空空间的温度，φ

【专利技术属性】
技术研发人员：智李，苏攀，张宇娇，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：