解讀IGBT多物理場數(shù)字孿生方法

寫在前面的話

連續(xù)幾個月都在討論仿真的學習方法和內(nèi)在原則，未來在尺度方面還會有繼續(xù)的引申。這一類文章更適合于有仿真經(jīng)驗的學習者。

本期的主題是文獻閱讀，主要討論當前能源領(lǐng)域的核心器件IGBT的多物理場數(shù)字孿生方法。

介紹

數(shù)字孿生是一組計算模型。它可以持久地表示：隨著時間的推移而演變相應物理資產(chǎn)（包括材料、組件、芯片、電路板到系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)、行為。數(shù)字孿生還通過數(shù)據(jù)同化和決策迭代優(yōu)化來影響和指導真實物理模型的行為。數(shù)字孿生是信息空間和物理資產(chǎn)的混合體。信息空間中的知識模型由幾何形狀、材料屬性、多物理場模型、有限元網(wǎng)格模型等構(gòu)成；而數(shù)據(jù)模型包含操作數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)、老化數(shù)據(jù)等。不確定性量化和數(shù)據(jù)同化是實物資產(chǎn)和數(shù)字孿生之間的關(guān)鍵紐帶。

SCIML

ROM可能是數(shù)字孿生最關(guān)鍵的推動因素。它確保了數(shù)字孿生的可靠性（可控錯誤）、即時性（在線實時計算）和交互性（與外部傳感器數(shù)據(jù)的同化）。

正交分解（POD）是一種從離散數(shù)據(jù)中提取基本信息特征的數(shù)學方法?；舅枷胧菍⒏呔S量分解為一組基函數(shù)，然后尋找可以捕獲大部分信息的最低階模式。POD 的一個關(guān)鍵組成部分是奇異值分解 （SVD）。與特征值分解類似，我們在奇異值矩陣中從大到小排列奇異值。通常情況下，奇異值會迅速下降。例如，前 1% 奇異值的總和占所有奇異值之和的 99% 以上。

ROM是侵入性的，因為在獲取這些ROM運算符之前，必須訪問離散化的FOM運算符;也就是說，它通常需要侵入性查詢，甚至修改后端源代碼。因此，非侵入式ROM更可取。受降階模型方程是結(jié)構(gòu)保持的啟發(fā)，即它與全階方程具有相同的微分形式，我們采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法推斷出相應的降階算子。

數(shù)值仿真

大規(guī)模IGBT是用于控制電路的功率半導體器件系列中最具商業(yè)價值的器件之一。然而，由于3D集成封裝在當前IGBT芯片中的高集成度，大功率微波脈沖和芯片內(nèi)部自散熱引起的電、熱和應力效應不可忽略。希望開發(fā)一種智能模擬器，該模擬器可以實時精確地分析電子設備的多物理場效應，甚至用于進一步的設計優(yōu)化。

本節(jié)展示了SciML 算法可以實現(xiàn)三維動態(tài)數(shù)字孿生，在 IGBT 陣列中結(jié)合多物理場耦合效應。該示例實時解決了IGBT陣列的電熱機械耦合問題。選擇FF450R17ME4作為模板來生成IGBT陣列。IGBT陣列是通過從一個模塊擴展到十一個模塊作為大規(guī)模陣列來構(gòu)造的。本文研究的IGBT的多物理場效應主要包括電流密度、焦耳熱效應和封裝中的熱應力響應。它們的行為可以用電流連續(xù)性方程、熱傳導方程和彈性方程來描述。

在導電IGBT芯片上施加1 MHz交流電，表面密度幅度為0.015 A/m2，以及表面密度幅度為 0.3 A/m 的鍵合線，并將其設置為熱源。由于電場和熱/機械場之間具有極其多尺度的時間特征，首先研究了IGBT陣列中瞬態(tài)電流傳輸?shù)臄?shù)字孿生；然后研究熱耦合和機械耦合，同時在頻域中求解電流傳輸，然后添加它作為熱源。

討論

本文介紹了一個用于電子芯片的三維多物理場數(shù)字孿生模型。啟用數(shù)字孿生模型的首要技術(shù)是一種新興技術(shù)SciML，它是科學計算（高保真有限元求解器）、ROM（非侵入式和數(shù)據(jù)驅(qū)動）和物理編碼 ML（運算符推理）的完美結(jié)合。未來的工作包括數(shù)字孿生，具有實時信息交互，數(shù)據(jù)同化和與外部傳感器的不確定性量化能力。