CN117725871A - 脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法，属于脉冲功率技术领域，所述方法包括：基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，计算瞬态结温，获取脉冲晶闸管的结温升数据；基于脉冲电流和脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，进行熔铝分析，获取脉冲晶闸管的熔铝分析数据；基于寿命预测模型和脉冲晶闸管的结温升数据和熔铝分析数据，获取脉冲晶闸管的预测寿命；基于脉冲晶闸管的预测寿命和寿命指标，获取评估结果。通过在脉冲电流作用下计算瞬态结温以及分析熔铝，进而预测脉冲晶闸管的寿命，若预测寿命符合寿命指标，则确定晶闸管结构、通流能力以及寿命三者达到平衡，实现准确地评估脉冲晶闸管多目标协同优化设计。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法。
背景技术
脉冲晶闸管型强流开关是全固态器件，相比于气体开关，具有控制简单、性能稳定等优点，是实现功率脉冲电源脉冲成形和波形调制的关键器件，也是脉冲电源中唯一可控高功率器件。脉冲晶闸管工作在非周期强流脉冲工况下，承受数十kV高电压、数十kA量级强脉冲电流导致的瞬态电磁热力联合冲击，易产生热疲劳累积突发性失效。
对于储能高，能量密度大的特殊应用场景，其开关器件在满足功能需求前提下需要考虑与整机配合的问题，故而对其体积和质量提出了相应限制，轻小型晶闸管应运而生。现有技术采用多个单片晶闸管封装在同一管壳内，通过共用管壳，铜基座和钼片来降低整体高度；还有利用同样材质的半导体其膨胀率一致的特性来消除热应力替代了钼片，从而降低了晶闸管的厚度；基于散热的铜基座占据了晶闸管绝大部分体积与重量，设法减薄铜基座进行小型化。轻小型晶闸管体积质量有所减小，施加在脉冲晶闸管上的压接应力相应下降，导通过程中电流分布不均匀程度上升，局部发热更加严重，熔铝影响增大，脉冲晶闸管寿命降低。对于轻小型晶闸管，需要通过多目标协同优化来平衡晶闸管结构、通流能力以及寿命，如何准确地评估脉冲晶闸管多目标协同优化设计是目前业界亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法。
第一方面，本发明提供一种脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法，包括：
基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，计算瞬态结温，获取所述脉冲晶闸管的结温升数据，所述结温升数据用于表征脉冲电流与脉冲晶闸管结温变化之间的关系，所述脉冲晶闸管是基于晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标，通过多目标协同优化所确定的设计结果；
基于所述脉冲电流和所述脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，进行熔铝分析，获取所述脉冲晶闸管的熔铝分析数据，熔铝分析数据用于表征脉冲电流与熔铝体积变化之间的关系；
基于寿命预测模型和所述脉冲晶闸管的结温升数据和熔铝分析数据，获取所述脉冲晶闸管的预测寿命；
基于所述脉冲晶闸管的预测寿命和所述寿命指标，获取评估结果。
可选地，所述基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，计算瞬态结温，获取所述脉冲晶闸管的结温升数据，包括：
基于脉冲晶闸管的热网络模型，构建等效电路模型；
基于所述脉冲电流和所述等效电路模型，通过计算发热功率，获取所述脉冲晶闸管的结温升数据。
可选地，所述脉冲晶闸管的热网络模型具体包括：沿热流方向级联的硅片材料层的热网络子模型、钼片材料层的热网络子模型和铜基座材料层的热网络子模型，不同材料层的热网络子模型通过接触热阻串联；
所述热网络子模型包括一个或多个串联的热网络单元，所述热网络单元是由两个热阻和一个热容组成的T型结构；
所述硅片材料层的热网络子模型中各个热网络单元还带有一个热源，所述热源与所述热容之间为并联关系。
可选地，还包括通过以下公式确定所述接触热阻：
其中，Rc表示所述接触热阻，Sm表示相邻的两个材料层之间的接触面的面积，hs表示固体收缩传导系数。
可选地，所述接触微元等效电路模型由上下材料的体电阻以及材料间的接触电阻串联构成；
所述基于所述脉冲电流和所述脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，进行熔铝分析，获取所述脉冲晶闸管的熔铝分析数据，包括：
通过比较Q和Q1+Q2之间的大小来判断是否发生熔铝，Q表示接触微元在电流作用下产生的焦耳热，Q1表示上下材料中一种材料微元升温所需能量，Q2表示上下材料中另一种材料微元升温所需能量；
若确定未发生熔铝，则确定熔铝体积为零；
或，若确定发生熔铝，则计算熔铝体积。
可选地，所述计算熔铝体积具体包括通过以下公式确定熔铝体积：
其中，ΔV表示熔铝体积，Lm为表示上下材料中熔点较低材料的熔化热，ρmAl表示铝的密度。
可选地，所述寿命预测模型通过以下公式确定：
其中，Nf表示预测寿命，Ci和ni是与所述脉冲晶闸管相关的模型常数，i为1或2，C1和n1为未发生熔铝的情况下对应的模型常数，C2和n2为已发生熔铝的情况下对应的模型常数，Δw是单个脉冲周期的硅片污染积累量，f(·)为硅片污染积累量计算函数，ΔT表示在脉冲电流作用下所述脉冲晶闸管的结温升。
第二方面，本发明还提供一种脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估装置，包括：
结温计算模块，用于基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，计算瞬态结温，获取所述脉冲晶闸管的结温升数据，所述结温升数据用于表征脉冲电流与脉冲晶闸管结温变化之间的关系，所述脉冲晶闸管是基于晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标，通过多目标协同优化所确定的设计结果；
熔铝分析模块，用于基于所述脉冲电流和所述脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，进行熔铝分析，获取所述脉冲晶闸管的熔铝分析数据，熔铝分析数据用于表征脉冲电流与熔铝体积变化之间的关系；
寿命预测模块，用于基于寿命预测模型和所述脉冲晶闸管的结温升数据和熔铝分析数据，获取所述脉冲晶闸管的预测寿命；
评估模块，用于基于所述脉冲晶闸管的预测寿命和所述寿命指标，获取评估结果。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。
可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
通过在脉冲电流作用下计算瞬态结温以及分析熔铝，进而预测脉冲晶闸管的寿命，判断预测寿命是否符合寿命指标，若预测寿命不符合寿命指标，则继续通过多目标协同优化迭代脉冲晶闸管的轻小化结构设计，若预测寿命符合寿命指标，则确定晶闸管结构、通流能力以及寿命三者达到平衡，输出脉冲晶闸管的轻小化结构设计，实现准确地评估脉冲晶闸管多目标协同优化设计，评估通过的脉冲晶闸管型强流开关轻小化结构设计，适用于储能高、能量密度大的特殊应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法的流程示意图之一；
图2是本发明提供的脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法的流程示意图之二；
图3是本发明提供的脉冲晶闸管Cauer热网络模型的示意图；
图4是本发明提供的脉冲晶闸管结温升与脉冲电流关系的示意图；
图5是本发明提供的接触面理论微观结构的示意图；
图6是本发明提供的接触面微元结构的示意图；
图7是本发明提供的接触面微元等效电路的示意图；
图8是本发明提供的脉冲晶闸管熔铝流程示意图；
图9是本发明提供的熔铝体积与脉冲电流峰值以及压接应力的关系示意图；
图10是本发明提供的脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或者两个以上，例如，多个处理单元是指两个或者两个以上的处理单元等；多个元件是指两个或者两个以上的元件等。
接下来，对本发明实施例中提供的技术方案进行介绍。
图1是本发明提供的脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法的流程示意图之一，如图1所示，该方法的执行主体可以是电子设备，例如服务器等。该方法包括：步骤S101、步骤S102、步骤S103和步骤S104。
步骤S101，基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，计算瞬态结温，获取脉冲晶闸管的结温升数据，结温升数据用于表征脉冲电流与脉冲晶闸管结温变化之间的关系，脉冲晶闸管是基于晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标，通过多目标协同优化所确定的设计结果。
具体地，基于晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标，通过多目标协同优化可以确定脉冲晶闸管的轻小化结构设计。脉冲工况下的结温升会影响脉冲晶闸管的寿命，为了评估晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标这三者是否达到平衡，可以基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，在脉冲工况下计算瞬态结温，获取脉冲晶闸管的结温升数据。
步骤S102，基于脉冲电流和脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，进行熔铝分析，获取脉冲晶闸管的熔铝分析数据，熔铝分析数据用于表征脉冲电流与熔铝体积变化之间的关系。
具体地，脉冲电流下熔铝体积会影响脉冲晶闸管的寿命预测模型的模型参数，为了评估晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标这三者是否达到平衡，可以基于脉冲电流和脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，在脉冲电流下计算熔铝体积，获取脉冲晶闸管的熔铝分析数据。
步骤S103，基于寿命预测模型和脉冲晶闸管的结温升数据和熔铝分析数据，获取脉冲晶闸管的预测寿命。
步骤S104，基于脉冲晶闸管的预测寿命和寿命指标，获取评估结果。
具体地，通过在脉冲电流作用下计算瞬态结温以及分析熔铝，进而预测脉冲晶闸管的寿命，判断预测寿命是否符合寿命指标，若预测寿命不符合寿命指标，则继续通过多目标协同优化迭代脉冲晶闸管的轻小化结构设计，若预测寿命符合寿命指标，则确定晶闸管结构、通流能力以及寿命三者达到平衡，输出脉冲晶闸管的轻小化结构设计，实现准确地评估脉冲晶闸管多目标协同优化设计，评估通过的脉冲晶闸管型强流开关轻小化结构设计，适用于储能高、能量密度大的特殊应用场景。
示例性地，图2是本发明提供的脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法的流程示意图之二，如图2所示，该方法包括：
基于晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标，通过多目标协同优化来确定脉冲晶闸管的轻小化结构设计；
脉冲工况下瞬态结温计算，搭建脉冲晶闸管的热网络模型，将热路模型等效为相应的电路模型进行结温升计算；
脉冲电流下熔铝体积计算，判断是否熔铝，若熔铝则建立模型，计算不同工况、结构下的熔铝体积；
脉冲晶闸管寿命预测模型修正，结合熔铝计算与脉冲电流的关系，结温升与脉冲电流的关系以及结温升对寿命的影响，可以修正寿命预测模型，预测不同电流作用下脉冲晶闸管的寿命；
检验是否达到寿命标准，通过迭代输出最优化结构设计。
可选地，对于脉冲晶闸管的设计，综合考虑了特定工况下的电流需求以及轻小化结构需求。
可选地，对于多目标协同优化，可以通过改变压片材质、几何尺寸，拉杆数量，来调整脉冲晶闸管应力大小，进行熔铝计算，来平衡轻小化结构设计与熔铝情况。
可选地，对于调整晶闸管应力大小，可以通过有限元计算进行压接应力分析，并考虑非均匀分布来修正模型(修正压接应力分析过程中所用到的模型)。
可选地，通过熔铝计算和结温计算对寿命预测模型进行修正。
可选地，在瞬态结温计算中，可以搭建脉冲晶闸管的Cauer热网络模型。图3是本发明提供的脉冲晶闸管Cauer热网络模型的示意图，如图3所示，由两个热阻和一个热容组成的T型结构为Cauer模型的基本组成单元(也即热网络单元)，其中硅层的T型结构中还带有一个热源(如图3所示热源与热容之间为并联关系)，沿热流方向分别搭建硅片、钼片和铜基座的Cauer热网络子模型，将三者的热网络子模型级联后得到晶闸管暂态热网络等效模型，不同材料层的Cauer模型之间通过接触热阻进行串联。
具体地，脉冲晶闸管各层材料接触界面实际上凹凸不平，实际接触面积远小于视在接触面积，实际接触只发生在一个个接触点上，余下的空隙充满了气体。由于脉冲晶闸管各器件接触间隙很小，所以接触界面不考虑热对流方式传导热量；温度较低，可忽略热辐射影响，所以只考虑热量在接触界面间的热传导。各接触界面间填充惰性气体，气体导热率仅为0.0228W/(m·K)，远小于脉冲晶闸管各器件的热导率，因此不考虑气体热传导，此时界面间的热量传递只通过固体进行热传导。
各层间的级联可以使用电阻Rc来等效接触热阻。接触界面的接触热阻可以表示为：
式中，Sm为各层材料接触面的面积，单位为m2，hs为固体收缩传导系数，单位为W/(m2·K)。
hs＝kP0.85；
式中，P表示压强，m为接触界面平均粗糙斜率，与加工误差等因素有关；σ为等效均方根表面粗糙度；H为较软接触材料的显微硬度；λ为两接触界面的平均热导率，单位为W/(m·K)。
λ＝2λ1λ2/(λ1+λ2)；
式中，λ1、λ2分别为两接触界面材料各自的热导率。
示例性地，在脉冲电压放电过程中，脉冲晶闸管将通过一个峰值70kA，脉宽为2ms的脉冲大电流，脉冲电流导致结温瞬时升高，脉冲晶闸管的通态压降Vf及热功率p(t)可计算为：
p(t)＝Vf(t)×I(t)；
式中，Vf是指通态压降，n为发射系数，k是指波尔兹曼常数，T是指绝对温度，Tref为参考温度，通常取300K，q是指电子电荷，I是指通态电流，Is是指脉冲晶闸管等效饱和电流，Rs是指脉冲晶闸管欧姆电阻，krs为的温度指数系数，取1.17。根据脉冲放电过程中脉冲晶闸管通态电流得到其通态的管压降，再根据上式得到其热功率，热功率p(t)可以用于计算结温升。
示例性地，脉冲晶闸管施加压接应力为90kN，硅片与钼片间以及钼片与铜片间接触热阻分别取0.8K/kW和0.5K/kW。采用8阶Cauer热网络模型，可以较好地反应不同导通脉冲电流工况下脉冲晶闸管结温变化。按照脉冲晶闸管Cauer热网络模型，使用Simulink软件搭建等效电路模型，等效电路模型中的参数根据脉冲晶闸管参数计算。进而，基于脉冲电流和等效电路模型，通过计算发热功率，获取脉冲晶闸管的结温升数据。
例如，总发热功率P(t)根据厂家提供的脉冲晶闸管伏安特性曲线，由导通电流瞬时值与导通电压瞬时值相乘得出。图4是本发明提供的脉冲晶闸管结温升与脉冲电流关系的示意图，不同脉宽、峰值的导通电流与脉冲晶闸管结温变化的关系如图4所示。
具体地，脉冲晶闸管热网络模型由n个基本组成单元串联成而成，其中n为Cauer模型的阶数，阶数越高则计算精度越高，同时计算量也越大，在兼顾计算量和模型精度的情况下选择合适的阶数。
进一步地，熔铝体积计算中，硅片和铝层以及钼片和铝层之间形成接触微元，根据接触面的理论微观模型，当接触微元上有电流通过时，得到微元的等效电路模型，接触面电流收缩导致的电阻增量引入接触电阻进行表示，压接应力和导通电流会影响接触电阻。
具体地，脉冲晶闸管的模型可简化为圆柱形结构，以脉冲晶闸管硅片为中心，两侧为对称结构，可将硅片均分成两半，研究一侧的温升情况，脉冲晶闸管导通后电流由硅片流向铜基座。硅片和铝层以及钼片和铝层之间形成接触微元。由于是对称结构，分界面无热通量，可认为分界面是绝热边界条件。
具体地，根据Holm模型假设，接触面的理论微观模型可以考虑均匀布满大小相同半球形凸起，图5是本发明提供的接触面理论微观结构的示意图，如图5所示，凸起的半径为rd。这些凸起可看作理想光滑弹性球面，2种材料的面接触在微观上是各个凸起的点接触。
针对其中某一对接触点进行分析。在接触力Fa作用下，半径分别为rd1、rd2的两理想光滑球面产生弹性形变，形成电接触斑点。根据Hertz公式，单个电接触斑点的半径a为：
式中v1、v2为上下接触面材料的泊松比，E1、E2为上下接触面材料的弹性模量。
对于两表面粗糙度均为Ra的接触面，则有rd1＝rd2＝Ra。
若接触面半径为Rd，对其施加的压接应力为F，此时上述单个电接触斑点的半径a的公式可写作：
对于压接式器件接触面的实际接触面积远小于视在接触面积，导通电流通过晶闸管各层材料间接触面时电流发生收缩，相应的电阻增量即为接触电阻。每一对电接触斑点形成的接触电阻Re的数学表达式为：
式中，ρ1、ρ2为上下接触面材料的电阻率。对于一对接触面，压接应力越大，电接触斑点的半径也越大，相应电流通过的实际面积增大，则接触电阻减小。
图6是本发明提供的接触面微元结构的示意图，基于接触面的粗糙度Ra，取接触面上的微元如图6所示。由于接触面电流收缩导致的电阻增量已经引入接触电阻Re进行表示，为方便计算，将接触微元简化为尺寸相等的两圆柱形材料叠加，接触面两侧材料微元的尺寸分别为半径Ra，高Ra。
图7是本发明提供的接触面微元等效电路的示意图，如图7所示，当接触微元上有电流通过时，微元的等效电路模型由上下材料的体电阻以及材料间的接触电阻串联构成。
电流I为从微元上流过的电流，R1、R2为材料1、材料2微元的体电阻，Re为接触微元的接触电阻。可对I和R1、R2进行计算。
式中，Ii为接触面通过的总电流，ρi分别为材料1、材料2的电阻率。通过计算在接触微元上产生的焦耳热，可以推算出对此工况下熔点较低材料的熔化体积。
Qi＝ciVρmiΔT(i＝1,2)；
式中，Q为接触微元在电流I作用下产生的焦耳热；Qi分别为材料1和材料2微元升温所需能量，也即Q1表示上下材料中一种材料微元升温所需能量，Q2表示上下材料中另一种材料微元升温所需能量；τ为电流作用时间；ci为接触面两侧材料的比热容；V分别为材料1和材料2微元的体积；ρmAl表示铝的密度；ρmi为材料1和材料2的密度；ΔT为结温升；Lm为熔点较低材料的熔化热；ΔV为电流I作用下微元的熔化体积，若Q<Q1+Q2，则在该电流的作用下，接触面产生的焦耳热效应不足，不能引起材料熔化现象，熔化体积为0。若Q>Q1+Q2，则确定发生熔铝，可以依据上述公式计算具体的熔铝体积。
以某型号脉冲晶闸管为例，图8是本发明提供的脉冲晶闸管熔铝流程示意图。
如图8所示，影响接触电阻的主要因素包括压接应力、接触面粗糙度、接触面材料物理参数以及晶闸管尺寸。在实际应用过程中，晶闸管和接触面材料的参数保持恒定，压接应力与脉冲晶闸管所应用的结构相配合而决定，而导通电流随不同工况发生改变。针对脉冲晶闸管导通电流和压接应力对熔铝体积的影响展开分析。
示例性地，脉冲晶闸管的粗糙度为0.8μm，半径为43mm，接触面材料的物理参数给出。由于铝的熔点为660℃，ΔT取640K。硅的电阻率与硅片中的掺杂浓度负相关。硅片上的电阻远大于钼片、铜基座电阻以及接触电阻，脉冲晶闸管导通后，硅片上的压降可视作整个晶闸管的导通压降。针对具体的脉冲晶闸管，根据厂家提供的伏安特性曲线即可计算硅片的等效电阻率。导通电流脉宽固定为2ms，将铝和硅的物理参数带入公式计算，脉冲晶闸管的压接应力取45kN和90kN，计算轻量型和常规型脉冲晶闸管在不同电流作用下，单个接触微元熔铝体积，图9是本发明提供的熔铝体积与脉冲电流峰值以及压接应力的关系示意图，计算结果如图9所示。
对于此型号的脉冲晶闸管，当电流峰值较低时候，铝层和硅片接触面上没有出现熔铝现象，当电流峰值达到阈值时，开始出现熔铝现象，且随着导通电流峰值增大，单次脉冲电流导通导致的熔铝体积随之增大，呈线性关系。对于同一型号脉冲晶闸管，其压接应力越大，熔铝阈值越高，熔铝现象越难出现。在相同的导通电流下，熔铝体积随压接应力的增大而增大。
进一步地，脉冲晶闸管寿命预测，基于脉冲晶闸管反复开断过程中熔铝现象的产生会加速脉冲电流作用下硅片的污染，采用分段式Coffin-Manson模型来建立寿命预测模型。
具体地，根据是否发生熔铝，脉冲晶闸管寿命模型中的参数发生变化，可表示为：
式中，Ci和ni是与脉冲晶闸管有关的常数，C1、n1为没有熔铝现象出现时对应的模型常数，C2、n2为出现熔铝现象时对应的模型常数；Δw是单个脉冲周期的硅片污染积累量。
受脉冲电流导致的局部高温影响，铝层与硅片间发生扩散，污染硅片的速度与接触位置温度有关，单次污染累积量与结温呈正相关；出现熔铝现象后，熔铝程度与平均结温的变化是同步关系，二者相应增大或减小，所以脉冲晶闸管的单个周期硅片污染量与结温有对应关系：
Δw＝f(ΔT)；
针对选用的脉冲晶闸管，根据厂家所给出的Arrhenius寿命预测模型可以计算出其在不同的脉冲电流作用下的预测寿命值。示例性地，脉冲晶闸管在典型工况下，即脉冲电流脉宽2ms，峰值70～90kA。
使用分段式Coffin-Manson公式拟合脉冲晶闸管寿命模型，当电流峰值达到80.5kA时，结温升为106.47K，开始出现熔铝现象，为寿命模型的分段点。可以得到脉冲晶闸管寿命与结温升的关系以及分段式Coffin-Manson寿命预测模型如下：
可以理解的是，本发明通过寿命试验与阀片解剖分析了强流脉冲工况下脉冲晶闸管的失效形式，基于阀片各层的微接触表面形态研究硅片表面熔铝的原因及影响因素，为该类型强流开关的可靠性评估提供理论基础。
本发明通过熔铝模型对寿命预测模型进行修正，通过计算熔铝的边界条件来确定晶闸管结构、通流能力以及寿命三者的平衡，实现多目标协同优化，输出脉冲晶闸管型强流开关轻量化结构设计，适用于储能高、能量密度大的特殊应用场景。
下面对本发明提供的脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估装置进行描述，下文描述的脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估装置与上文描述的脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法可相互对应参照。
图10是本发明提供的脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估装置的结构示意图，如图10所示，该装置包括：结温计算模块10、熔铝分析模块20、寿命预测模块30和评估模块40。其中：
结温计算模块10，用于基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，计算瞬态结温，获取脉冲晶闸管的结温升数据，结温升数据用于表征脉冲电流与脉冲晶闸管结温变化之间的关系，脉冲晶闸管是基于晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标，通过多目标协同优化所确定的设计结果；
熔铝分析模块20，用于基于脉冲电流和脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，进行熔铝分析，获取脉冲晶闸管的熔铝分析数据，熔铝分析数据用于表征脉冲电流与熔铝体积变化之间的关系；
寿命预测模块30，用于基于寿命预测模型和脉冲晶闸管的结温升数据和熔铝分析数据，获取脉冲晶闸管的预测寿命；
评估模块40，用于基于脉冲晶闸管的预测寿命和寿命指标，获取评估结果。
应当理解的是，上述装置用于执行上述实施例中的方法，装置中相应的程序模块，其实现原理和技术效果与上述方法中的描述类似，该装置的工作过程可参考上述方法中的对应过程，此处不再赘述。
基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种电子设备。该设备可以包括：至少一个用于存储程序的存储器和至少一个用于执行存储器存储的程序的处理器。其中，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行上述实施例中所描述的方法。
基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。
基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。
可以理解的是，本发明实施例中的处理器可以是中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。
本发明实施例中的方法步骤可以通过硬件的方式来实现，也可以由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(random access memory，RAM)、闪存、只读存储器(read-only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable rom，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
可以理解的是，在本发明实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本发明的实施例的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法，其特征在于，包括：
基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，计算瞬态结温，获取所述脉冲晶闸管的结温升数据，所述结温升数据用于表征脉冲电流与脉冲晶闸管结温变化之间的关系，所述脉冲晶闸管是基于晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标，通过多目标协同优化所确定的设计结果；
基于所述脉冲电流和所述脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，进行熔铝分析，获取所述脉冲晶闸管的熔铝分析数据，熔铝分析数据用于表征脉冲电流与熔铝体积变化之间的关系；
基于寿命预测模型和所述脉冲晶闸管的结温升数据和熔铝分析数据，获取所述脉冲晶闸管的预测寿命；
基于所述脉冲晶闸管的预测寿命和所述寿命指标，获取评估结果。
2.根据权利要求1所述脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法，其特征在于，所述基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，计算瞬态结温，获取所述脉冲晶闸管的结温升数据，包括：
基于脉冲晶闸管的热网络模型，构建等效电路模型；
基于所述脉冲电流和所述等效电路模型，通过计算发热功率，获取所述脉冲晶闸管的结温升数据。
3.根据权利要求2所述脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法，其特征在于，所述脉冲晶闸管的热网络模型具体包括：沿热流方向级联的硅片材料层的热网络子模型、钼片材料层的热网络子模型和铜基座材料层的热网络子模型，不同材料层的热网络子模型通过接触热阻串联；
所述热网络子模型包括一个或多个串联的热网络单元，所述热网络单元是由两个热阻和一个热容组成的T型结构；
所述硅片材料层的热网络子模型中各个热网络单元还带有一个热源，所述热源与所述热容之间为并联关系。
4.根据权利要求3所述脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法，其特征在于，还包括通过以下公式确定所述接触热阻：
其中，Rc表示所述接触热阻，Sm表示相邻的两个材料层之间的接触面的面积，hs表示固体收缩传导系数。
5.根据权利要求1所述脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法，其特征在于，所述接触微元等效电路模型由上下材料的体电阻以及材料间的接触电阻串联构成；
所述基于所述脉冲电流和所述脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，进行熔铝分析，获取所述脉冲晶闸管的熔铝分析数据，包括：
通过比较Q和Q1+Q2之间的大小来判断是否发生熔铝，Q表示接触微元在电流作用下产生的焦耳热，Q1表示上下材料中一种材料微元升温所需能量，Q2表示上下材料中另一种材料微元升温所需能量；
若确定未发生熔铝，则确定熔铝体积为零；
或，若确定发生熔铝，则计算熔铝体积。
6.根据权利要求5所述脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法，其特征在于，所述计算熔铝体积具体包括通过以下公式确定熔铝体积：
其中，ΔV表示熔铝体积，Lm为表示上下材料中熔点较低材料的熔化热，ρmAl表示铝的密度。
7.根据权利要求1-6任一项所述脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估方法，其特征在于，所述寿命预测模型通过以下公式确定：
Δw＝f(ΔT)；
其中，Nf表示预测寿命，Ci和ni是与所述脉冲晶闸管相关的模型常数，i为1或2，C1和n1为未发生熔铝的情况下对应的模型常数，C2和n2为已发生熔铝的情况下对应的模型常数，Δw是单个脉冲周期的硅片污染积累量，f(·)为硅片污染积累量计算函数，ΔT表示在脉冲电流作用下所述脉冲晶闸管的结温升。
8.一种脉冲晶闸管型强流开关多目标协同优化设计的评估装置，其特征在于，包括：
结温计算模块，用于基于脉冲电流和脉冲晶闸管的热网络模型，计算瞬态结温，获取所述脉冲晶闸管的结温升数据，所述结温升数据用于表征脉冲电流与脉冲晶闸管结温变化之间的关系，所述脉冲晶闸管是基于晶闸管结构指标、通流能力指标以及寿命指标，通过多目标协同优化所确定的设计结果；
熔铝分析模块，用于基于所述脉冲电流和所述脉冲晶闸管的接触微元等效电路模型，进行熔铝分析，获取所述脉冲晶闸管的熔铝分析数据，熔铝分析数据用于表征脉冲电流与熔铝体积变化之间的关系；
寿命预测模块，用于基于寿命预测模型和所述脉冲晶闸管的结温升数据和熔铝分析数据，获取所述脉冲晶闸管的预测寿命；
评估模块，用于基于所述脉冲晶闸管的预测寿命和所述寿命指标，获取评估结果。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于执行所述存储器存储的程序，当所述存储器存储的程序被执行时，所述处理器用于执行如权利要求1-7任一所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得所述处理器执行如权利要求1-7任一所述的方法。
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