一种功率器件仿真方法、装置、电子设备及存储介质与流程

本发明涉及功率器件设计的，尤其涉及一种功率器件仿真方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、功率器件的设计初衷是为了使应用电路更加安全、节能和高效。但是，由于实际应用电路工况复杂，使得功率器件的设计与实际应用工况不匹配，从而导致功率器件设计背离其设计初衷。也就是说，当功率器件在应用电路中出现问题时，无法将该问题与设计联系在一起。

2、因此，为了使功率器件的设计更能满足定制化的实际电路工况需求，在进行功率器件设计时需要结合功率器件的芯片设计、功率器件的封装设计以及功率器件在应用电路中的表现进行联动分析。

技术实现思路

1、本发明提供了一种功率器件仿真方法、装置、电子设备及存储介质，解决了现有技术中功率器件的设计与实际应用工况不匹配的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种功率器件仿真方法，该方法包括：

4、根据目标应用电路中的元器件及各所述元器件的连接关系，基于仿真电路模拟器搭建目标应用电路的spice模型；所述目标应用电路为目标功率器件的外围应用电路；

5、基于cae软件确定承载所述目标应用电路和所述目标功率器件的电路板的foster热网络模型；

6、根据所述目标功率器件的封装结构，基于cae软件确定所述目标功率器件的封装电阻模型与封装电感模型；

7、根据所述目标功率器件的制备工艺顺序，基于tcad软件确定所述目标功率器件的有源区器件结构tcad模型；

8、将所述封装电阻模型与所述封装电感模型串联到所述有源区器件结构tcad模型的电极上，得到电性混合模型；

9、将所述电性混合模型接入所述目标应用电路的spice模型中，得到电路混合模型；

10、将所述foster热网络模型以热网表的形式加入到所述电路混合模型中，得到综合仿真模型；

11、基于所述综合仿真模型对所述目标功率器件进行仿真测试。

12、在一种可能的实现方式中，将所述foster热网络模型以热网表的形式加入到所述电路混合模型中，得到综合仿真模型，具体为：

13、将所述foster热网络模型以热网表形式输出的温度，作为所述电路混合模型中的所述电性混合模型的热边界条件输入；

14、并将所述电性混合模型的功率输出作为所述热网表的输入，得到综合仿真模型。

15、在一种可能的实现方式中，所述基于cae软件确定承载所述目标应用电路和所述目标功率器件的电路板的foster热网络模型，具体包括：

16、基于cae软件，通过承载所述目标应用电路和所述目标功率器件的电路板的结构和材料参数，确定所述电路板的三维模型，并设置所述目标功率器件在所述电路板的三维模型内工作时的环境温度、工作功率以及所述目标功率器件的散热方程；

17、根据所述散热方程、所述环境温度以及所述工作功率，确定所述目标功率器件的瞬态热阻随时间变化的温升曲线；

18、根据所述温升曲线确定预构建的热阻热容网络foster模型的参数，得到所述电路板的foster热网络模型。

19、在一种可能的实现方式中，根据所述散热方程、所述环境温度以及所述工作功率，确定所述目标功率器件的瞬态热阻随时间变化的温升曲线，具体包括：

20、对所述电路板的三维模型进行离散化处理，得到多个第一区域网格；

21、对测试时间进行离散化处理，得到多个时间格点；

22、根据每个所述时间格点对应的多个所述第一区域网格的数值，对所述散热方程进行求解，得到每个所述时间格点所述目标功率器件的芯片结温；

23、在每个所述时间格点内，通过第一公式确定每个时间格点的瞬态热阻；

24、所述第一公式为：

25、zthja＝(tj-ta)/p；

26、其中，zthja表示瞬态热阻，tj表示芯片结温，ta表示环境温度，p表示工作功率；

27、根据每个时间格点、以及每个时间格点对应的瞬态热阻，得到所述目标功率器件的瞬态热阻随时间变化的温升曲线。

28、在一种可能的实现方式中，根据所述温升曲线确定预构建的热阻热容网络foster模型的参数，得到所述电路板的foster热网络模型，具体包括：

29、基于所述目标功率器件在所述电路板的散热路径，预构建的电路板的热阻热容网络foster模型为：

30、

31、其中，zthja表示瞬态热阻，n表示阶数，为预设固定值；ri表示热阻，ci表示热容，t表示时间；

32、对所述温升曲线进行非线性回归分析，确定最优热容值和最优热阻值；

33、将所述最优热容值和最优热阻值代入所述热阻热容网络foster模型中，得到所述电路板的foster热网络模型。

34、在一种可能的实现方式中，根据所述目标功率器件的封装结构，基于cae软件确定所述目标功率器件的封装电阻模型，具体包括：

35、基于cae软件，根据所述目标功率器件的封装结构确定所述目标功率器件的三维模型，并在所述目标功率器件的三维模型中将所述目标功率器件的芯片电阻率设置为零，将所述目标功率器件的管脚电压设置为零，将所述目标功率器件的芯片电路设置为预设电流；

36、对所述目标功率器件的三维模型进行直流分析，确定所述目标功率器件的封装电阻模型。

37、在一种可能的实现方式中，对所述目标功率器件的三维模型进行直流分析，确定所述目标功率器件的封装电阻模型，具体包括：

38、对所述目标功率器件的三维模型进行离散化处理，得到多个第二区域网格；

39、通过cae软件，根据多个所述第二区域网格的数值对欧姆定律的微分方程进行求解，得到所述目标功率器件的三维模型中多个第二区域网格的芯片电压；

40、在每个第二区域网格内，计算所述芯片电压与所述管脚电压的差值，并对所述差值除以所述预设电流，得到每个所述第二区域网格的封装电阻；

41、根据所述封装电阻，得到所述目标功率器件的封装电阻模型。

42、在一种可能的实现方式中，根据所述目标功率器件的封装结构，基于cae软件确定所述目标功率器件的封装电感模型，具体包括：

43、基于cae软件，根据所述目标功率器件的封装结构确定所述目标功率器件的三维模型，并在所述目标功率器件的三维模型中设置电流走向以及求解频率；

44、对所述目标功率器件的三维模型进行交流小信号分析，得到所述目标功率器件的封装电感模型。

45、第二方面，本发明提供一种功率器件仿真装置，该装置包括：

46、第一处理模块，用于根据目标应用电路中的元器件及各所述元器件的连接关系，基于仿真电路模拟器搭建目标应用电路的spice模型；所述目标应用电路为目标功率器件的外围应用电路；

47、第二处理模块，用于基于cae软件确定承载所述目标应用电路和所述目标功率器件的电路板的foster热网络模型；

48、第三处理模块，用于根据所述目标功率器件的封装结构，基于cae软件确定所述目标功率器件的封装电阻模型与封装电感模型；

49、第四处理模块，用于根据所述目标功率器件的制备工艺顺序，基于tcad软件确定所述目标功率器件的有源区器件结构tcad模型；

50、第五处理模块，用于将所述封装电阻模型与所述封装电感模型串联到所述有源区器件结构tcad模型的电极上，得到电性混合模型；

51、第六处理模块，用于将所述电性混合模型接入所述目标应用电路的spice模型中，得到电路混合模型；

52、第七处理模块，用于将所述foster热网络模型以热网表的形式加入到所述电路混合模型中，得到综合仿真模型；

53、仿真测试模块，用于基于所述综合仿真模型对所述目标功率器件进行仿真测试。

54、在一种可能的实现方式中，所述第七处理模块具体被配置为执行：

55、将所述foster热网络模型以热网表形式输出的温度，作为所述电路混合模型中的所述电性混合模型的热边界条件输入；

56、并将所述电性混合模型的功率输出作为所述热网表的输入，得到综合仿真模型。

57、在一种可能的实现方式中，所述第二处理模块具体被配置为执行：

58、基于cae软件，通过承载所述目标应用电路和所述目标功率器件的电路板的结构和材料参数，确定所述电路板的三维模型，并设置所述目标功率器件在所述电路板的三维模型内工作时的环境温度、工作功率以及所述目标功率器件的散热方程；

59、根据所述散热方程、所述环境温度以及所述工作功率，确定所述目标功率器件的瞬态热阻随时间变化的温升曲线；

60、根据所述温升曲线确定预构建的热阻热容网络foster模型的参数，得到所述电路板的foster热网络模型。

61、在一种可能的实现方式中，在根据所述散热方程、所述环境温度以及所述工作功率，确定所述目标功率器件的瞬态热阻随时间变化的温升曲线时，所述第二处理模块具体被配置为执行：

62、对所述电路板的三维模型进行离散化处理，得到多个第一区域网格；

63、对测试时间进行离散化处理，得到多个时间格点；

64、根据每个所述时间格点对应的多个所述第一区域网格的数值，对所述散热方程进行求解，得到每个所述时间格点所述目标功率器件的芯片结温；

65、在每个所述时间格点内，通过第一公式确定每个时间格点的瞬态热阻；

66、所述第一公式为：

67、zthja＝(tj-ta)/p；

68、其中，zthja表示瞬态热阻，tj表示芯片结温，ta表示环境温度，p表示工作功率；

69、根据每个时间格点、以及每个时间格点对应的瞬态热阻，得到所述目标功率器件的瞬态热阻随时间变化的温升曲线。

70、在一种可能的实现方式中，在根据所述温升曲线确定预构建的热阻热容网络foster模型的参数，得到所述电路板的foster热网络模型时，所述第二处理模块具体被配置为执行：

71、基于所述目标功率器件在所述电路板的散热路径，预构建的电路板的热阻热容网络foster模型为：

72、

73、其中，zthja表示瞬态热阻，n表示阶数，为预设固定值；ri表示热阻，ci表示热容，t表示时间；

74、对所述温升曲线进行非线性回归分析，确定最优热容值和最优热阻值；

75、将所述最优热容值和最优热阻值代入所述热阻热容网络foster模型中，得到所述电路板的foster热网络模型。

76、在一种可能的实现方式中，在根据所述目标功率器件的封装结构，基于cae软件确定所述目标功率器件的封装电阻模型时，所述第三处理模块具体被配置为执行：

77、基于cae软件，根据所述目标功率器件的封装结构确定所述目标功率器件的三维模型，并在所述目标功率器件的三维模型中将所述目标功率器件的芯片电阻率设置为零，将所述目标功率器件的管脚电压设置为零，将所述目标功率器件的芯片电路设置为预设电流；

78、对所述目标功率器件的三维模型进行直流分析，确定所述目标功率器件的封装电阻模型。

79、在一种可能的实现方式中，在对所述目标功率器件的三维模型进行直流分析，确定所述目标功率器件的封装电阻模型时，所述第三处理模块具体被配置为执行：

80、对所述目标功率器件的三维模型进行离散化处理，得到多个第二区域网格；

81、通过cae软件，根据多个所述第二区域网格的数值对欧姆定律的微分方程进行求解，得到所述目标功率器件的三维模型中多个第二区域网格的芯片电压；

82、在每个第二区域网格内，计算所述芯片电压与所述管脚电压的差值，并对所述差值除以所述预设电流，得到每个所述第二区域网格的封装电阻；

83、根据所述封装电阻，得到所述目标功率器件的封装电阻模型。

84、在一种可能的实现方式中，在根据所述目标功率器件的封装结构，基于cae软件确定所述目标功率器件的封装电感模型时，所述第三处理模块具体被配置为执行：

85、基于cae软件，根据所述目标功率器件的封装结构确定所述目标功率器件的三维模型，并在所述目标功率器件的三维模型中设置电流走向以及求解频率；

86、对所述目标功率器件的三维模型进行交流小信号分析，得到所述目标功率器件的封装电感模型。

87、第三方面，本发明提供一种电子设备，该电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现上述任一项所述的功率器件仿真方法。

88、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述任一项所述的功率器件仿真方法。

89、本发明实施例提供的功率器件仿真方法在实际应用时，首先，获取目标应用电路的spice模型，承载所述目标应用电路和所述目标功率器件的电路板的foster热网络模型，目标功率器件的封装电阻模型，目标功率器件的封装电感模型，以及目标功率器件的有源区器件结构tcad模型模型；其次，将所述封装电阻模型与封装电感模型串联到有源区器件结构tcad模型的电极上，得到电性混合模型；之后，将电性混合模型接入目标应用电路的spice模型中，得到电路混合模型；最后，将foster热网络模型以热网表的形式加入到电路混合模型中，得到综合仿真模型；通过上述步骤将目标功率器件的芯片设计、封装设计与目标功率器件在目标应用电路中的表现联系起来，方便用户根据目标应用电路的电路设计表现对目标功率器件的芯片工艺、封装工艺进行优化，不仅能有效地解决现有技术中功率器件的设计与实际应用工况不匹配的问题；还能减少功率芯片及封装开发的成本，提高设计效率。