一种功率MOSFET可靠性的建模方法

本发明涉及功率mosfet可靠性建模并通过建模获得可靠性预测的方法。

背景技术：

1、功率mosfet由于恶劣环境因素，如温度的升高和设备的老化过程，都可能对其造成负面影响，这些因素可能会导致mosfet的性能降低，从而影响其可靠性和使用寿命。其次，mosfet的结构参数，例如氧化物厚度、沟道长度、掺杂浓度等，也可能随着时间和使用情况而发生变化。这些变化可能会影响mosfet的关键工作特性，如阈值电压、导通电阻和跨导，这些特性的波动可能会导致mosfet的性能不稳定，甚至可能引发器件故障。严重时，这种故障可能会对整个工作电路系统造成重大损失，从而影响到电源系统的整体运行稳定性和可靠性。

2、mosfet可靠性建模的现有方法通常包括计算机辅助设计tcad技术仿真或数学模型，这些方法一般需要耗费大量的计算时间，计算成本很高，同时无法很好捕捉结构参数与器件行为之间的复杂关系，在精度、计算复杂性以及在适应性方面存在局限性。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有mosfet可靠性建模方法复杂度高，计算效率低，模型可解释性也较差的问题，提供了一种功率mosfet可靠性的建模方法。

2、本发明的一种功率mosfet可靠性的建模方法，具体步骤如下：

3、步骤一、通过结构参数建立模拟的功率场效应管mosfet；

4、结构参数包括功率mosfet的沟道长度、沟道宽度和氧化层厚度；

5、步骤二、对功率mosfet进行仿真，获取功率mosfet的漂移阈值电压实际值；

6、步骤三、建立初始预测模型；

7、将结构参数作为初始预测模型的输入参数，漂移阈值电压实际值作为初始预测模型的输出参数，对初始预测模型进行训练、验证和测试，得到可靠性预测模型。

8、进一步地，还包括：

9、步骤四、将需预测可靠性的功率mosfet的结构参数输入至可靠性预测模型，得到功率mosfet的漂移阈值电压预测值；

10、步骤五、将漂移阈值电压预测值与预设的漂移阈值电压阈值比较，在漂移阈值电压预测值小于漂移阈值电压阈值时，判断功率mosfet此时为可靠。

11、进一步地，步骤一中的初始预测模型为通过麻雀搜索算法ssa进行超参数优化的autoformer模型；

12、auto former模型的初始设置如下：

13、隐藏层大小设置为64，丢弃率设置为0.3，注意力头数设置为5，编码器层数设置为4，批量大小设置为32。

14、进一步地，超参数包括autoformer模型的隐藏层大小、注意力头数、丢弃率和编码器层数；

15、ssa的适应度函数设置为均方误差mse函数和平均绝对误差mae函数；

16、其中，隐藏层的搜索空间为[64,512]，注意力头数的搜索空间为[2,16]，丢弃率的搜索空间为[0.1,0.5]，编码器层数的搜索空间为[1,6]；且ssa的种群大小设置为50，ssa的迭代次数设置为150。

17、进一步地，步骤一中，通过自适应矩估计adam优化器对初始预测模型进行训练；

18、adam优化器的学习率从ssa中获取。

19、进一步地，步骤一中，通过下式对auto former模型的权重进行初始化：

20、w＝random_uniform(shape,minval＝-limit,maxval＝limit)

21、其中，shape是权重矩阵的形状，minval和maxval是随机数范围；

22、limit＝sqrt(6/(fan_in+fan_out))

23、其中，fan_in是权重矩阵的输入维度，fan_out是权重矩阵的输出维度。

24、进一步地，步骤一中对初始预测模型进行训练、验证和测试的过程如下：

25、划分70％、20％和10％的数据集分别作为训练集、验证集和测试集；

26、数据集包括结构参数和对应的漂移阈值电压实际值；

27、通过训练集、验证集和测试集依次对初始预测模型进行训练、验证和测试。

28、进一步地，步骤二的具体过程如下：

29、步骤一一、对功率mosfet进行直流dc仿真，获取功率mosfet的初始阈值电压；

30、步骤一二、在设定的高温应力数值下，对功率mosfet进行老化仿真；

31、步骤一三、在老化仿真后，再对功率mosfet进行dc仿真，获得功率mosfet的最终阈值电压；

32、步骤一四、计算得到功率mosfet的漂移阈值电压；

33、漂移阈值电压为最终阈值电压减去初始阈值电压。

34、进一步地，.步骤一二中的高温应力数值分别为80℃、100℃、120℃或140℃。

35、进一步地，autoformer模型通过下式进行计算速度优化：

36、

37、

38、其中，表示在频域的功率谱密度；φ为加速因子，范围(0，1)；表示快速傅里叶变换；为时间序列；*表示共轭运算；表示自相关函数；τ表示时间滞后；描述信号在不同的时间延迟下与自身的相似性；f表示autoformer模型正在查找特定频率。

39、本发明的有益效果是：

40、使用基于机器学习的方法对功率mosfet进行可靠性建模，可以建立mosfet可靠性参数和各种结构参数及环境之间的复杂非线性关系，实现更高的准确性和灵活性；模型的训练和预测过程更加高效，能够节省大量的计算时间和资源；通过机器学习中的选择性特征聚合机制可以适应结构参数与设备可靠性之间的关系，使模型具有更好的适应性；更可通过机器学习对器件可靠性的实时监控，可以实现潜在故障的早期检测，提高设备性能和寿命。

41、并且功率mosfet可靠性建模方法基于ssa-autoformer，既能解决现有建模方法在处理复杂和非线性关系时的困难，又能通过ssa有效优化模型的超参数，减少过拟合和欠拟合的风险，从而提高建模的准确性和灵活性。同时，这种方法也利用了autoformer模型在处理长期依赖关系和并行处理序列数据的优势，使其能够处理大规模和复杂的数据集，提高了运算效率，并且，由于其自我调整的特性，该模型能够更好地适应参数变化，为电力电子系统的设计、维护和故障诊断提供了有力的理论支持。

技术特征：

1.一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1所述的一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，步骤一中的初始预测模型为通过麻雀搜索算法ssa进行超参数优化的autoformer模型；

4.根据权利要求3所述的一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，所述超参数包括autoformer模型的隐藏层大小、注意力头数、丢弃率和编码器层数；

5.根据权利要求4所述的一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，步骤一中，通过自适应矩估计adam优化器对初始预测模型进行训练；

6.根据权利要求3、4或5所述的一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，步骤一中，通过下式对auto former模型的权重进行初始化：

7.根据权利要求6所述的一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，步骤一中对初始预测模型进行训练、验证和测试的过程如下：

8.根据权利要求1所述的一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，步骤二的具体过程如下：

9.根据权利要求8所述的一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，.步骤一二中的高温应力数值分别为80℃、100℃、120℃或140℃。

10.根据权利要求3、4、6、7、8或9所述的一种功率mosfet可靠性的建模方法，其特征在于，autoformer模型通过下式进行计算速度优化：

技术总结
本发明的一种功率MOSFET可靠性的建模方法，涉及功率MOSFET可靠性建模并通过建模获得可靠性预测的方法。目的是为了克服现有MOSFET可靠性建模方法复杂度高，计算效率低，模型可解释性也较差的问题，具体步骤如下：步骤一、通过结构参数建立模拟的功率场效应管MOSFET；结构参数包括功率MOSFET的沟道长度、沟道宽度和氧化层厚度；步骤二、对功率MOSFET进行仿真，获取功率MOSFET的漂移阈值电压实际值；步骤三、建立初始预测模型；将结构参数作为初始预测模型的输入参数，漂移阈值电压实际值作为初始预测模型的输出参数，对初始预测模型进行训练、验证和测试，得到可靠性预测模型。

技术研发人员：刘超铭,高乐,王天琦,霍明学,张延清,齐春华,马国亮
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15