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专利号: 2021100252360
申请人: 浙江大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2023-08-24
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、基于芯片金属层和键合线布局特征,将功率半导体芯片划分为多元胞结构;

S2、提取芯片集总参数,采用最小二乘算法建立功率半导体芯片的电压‑电流‑温度三维模型;

S3、根据多元胞并联电路特征,将芯片集总参数转化为元胞分布参数,建立功率半导体元胞的电压‑电流‑温度三维模型;

S4、由元胞的电压‑电流‑温度三维模型,采用数学插值算法求出任一温度分布下元胞电流分配比例和相应损耗;

S5、各元胞损耗所形成的二维温度分布场线性叠加得到芯片整体温度梯度;

S6、判断芯片整体温度梯度偏差小于某预设值则认为收敛,否则重复步骤S4、S5直至收敛,所得温度分布为功率半导体芯片元胞的热电耦合交互结果;

S7、提取不同电流下的芯片整体温度梯度,计算芯片所在功率模块在相应电流下的热阻。

2.根据权利要求1所述的功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S1中的功率半导体芯片划分过程,具体为:首先剔除芯片绝缘耐压环、门极区、门极键合线结构,选取芯片有源区为待划分区域,根据芯片金属层的个数,纵向可分为Ny个部分;

然后根据键合线落点位置进行划分,一个落点位置对应一个元胞,根据键合线根数横向可分为Nx个部分;最终芯片能划分为Nx*Ny矩阵式多元胞结构。

3.根据权利要求1所述的功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S2中,采用最小二乘算法拟合可得功率半导体芯片的电压‑电流‑温度三维模型,表达形式如下:

其中,VCEsat为功率半导体芯片饱和通态电压降,Vce0为功率半导体芯片的偏置电压,r0为功率半导体芯片的动态电阻,Ichip为功率半导体芯片的集电流,Tj为功率半导体芯片的温度,A、B为与温度有关的待定常数,C为与电流有关的待定常数。

4.根据权利要求1所述的功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S3中的功率半导体元胞的电压‑电流‑温度三维模型,根据多元胞并联电路特征,基于功率半导体芯片的电压‑电流‑温度三维模型进行提取,表达形式如下:C

VCEsat(Icell_i,Tcell_i)=ATcell_i+Vce0+(BTcell_i+r0)(NxNyIcell_i)其中,Icell_i为功率半导体元胞i的电流,Tcell_i为功率半导体元胞i的温度。

5.根据权利要求4所述的功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S4中的任一温度分布下元胞电流分配比例和相应损耗求解过程为:首先转化功率半导体元胞的电压‑电流‑温度三维模型为电流‑电压‑温度模型,使其表达式如下:然后对于任一温度分布,可得功率半导体芯片电流Ichip下的元胞电流与相应损耗分布,其求解表达形式如下:

Pcell_i=Icell_iVCEsat其中,Pcell_i为功率半导体元胞i的损耗。

6.根据权利要求1所述的功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S5具体为:采用傅里叶级数快速算法,可得坐标为(Xci,Yci)的功率半导体元胞i形成的温升△Tcell_i,其求解表达形式如下:其中,Wcell、Lcell分别为功率半导体元胞的宽度和长度,m、n分别为傅里叶级数项,Am、Bn分别为与m、n相关的待定系数,△Tcell_i(x,y)为功率半导体元胞i在坐标(x,y)处引起的温升;

各功率半导体元胞形成的温升△Tcell_i(x,y)线性叠加后可得芯片整体温度梯度,其求解表达形式如下:

其中,Ta为环境温度,Tj(x,y)为功率半导体芯片在(x,y)坐标处的温度。

7.根据权利要求1所述的功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S6中的芯片整体温度梯度偏差计算过程,首先芯片整体基于环境温度Ta形成初始正向(0) (0) (0)

导通电压降VCEsat ,因此产生的热损耗P 在芯片表面形成温度场分布Tj (x,y);然后芯(0) (1)

片各元胞(Xci,Yci)基于本地温度Tj (Xci,Yci)形成新的芯片导通压降VCEsat ,由此各元胞(1) (1)

产生的本地热损耗Pcell_i 形成的温升△Tcell_i (x,y)线性叠加,形成新的温度场分布Tj(1) (2) (k+1)

(x,y)及VCEsat ;以此过程迭代,重复步骤S4、S5,直至第k次迭代后VCEsat 偏差小于某(k)

特定预设值,此时Tj (x,y)即为功率半导体芯片元胞热电交互后的芯片温度场结果;第k次迭代过程采用的数学表达式为:

(k) (k) (k+1)

其中,Pcell_i 为第k次迭代时功率半导体元胞i的损耗,Icell_i 、Icell_i 分别为第k(k) (k+1)

次、第(k+1)次迭代时功率半导体元胞i的电流,VCEsat 、VCEsat 分别为第k次、第(k+1)次(k)

迭代时所有功率半导体元胞并联形成的饱和通态电压降,△Tcell_i (x,y)为第k次迭代时(k) (k)

功率半导体元胞i在坐标(x,y)处引起的温升,Am 、Bn 分别为第k次迭代时与m、n相关的待(k) (k)

定系数,Tj (x,y)为第k次迭代时功率半导体芯片在(x,y)坐标处的温度,Tcell_i 为第k次迭代时功率半导体元胞i的温度。

8.根据权利要求1所述的功率半导体芯片元胞的热电耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S7中的芯片表面温度峰值Tjmax,用于计算对应的功率模块热阻峰值Rth_jmax,相应的求解表达式如下:

Rth_jmax=(Tjmax‑Ta)/(IchipVCEsat)。