本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种芯片及器件设计的联合仿真方法和系统。
背景技术：
柔性直流输电是智能电网技术发展的主要方向之一，未来柔性直流输电技术将向着多端化、网络化及更高电压更大容量方向发展，输送电压和功率将达到500kV/3000MW，迫切需要研制更高电压更大容量的柔性直流换流阀和高压直流断路器，其中柔性直流换流阀电流达到3000A，高压直流断路器要求分断电流达到18000A甚至更高。
装备技术发展的关键之一是电力电子器件，且不同装备对电力电子器件的需求呈差异化趋势发展，如柔性直流换流阀需要低通态压降的绝缘栅双极晶体管IGBT器件，以大幅降低换流阀的损耗；高压直流断路器需要高关断能力的IGBT器件，以提高断路器的电流分断水平。伴随不同类型柔性直流装备的出现，其对所用的器件出现了定制化需求，而现有的IGBT器件基本上均没有根据的不同种类柔性直流装备进行定制化开发，极大降低了装备的运行性能，因此需要紧密结合柔性直流换流阀的对于低通态损耗、直流断路器的高关断能力的技术需求分别开发低通态压降和高关断能力两种类型的IGBT器件，原有的器件和装置相对割裂的研究方法已不适用，需要开发出创新的研究方法实现从器件到装置的协同创新。
大功率IGBT器件研制涉及功率半导体物理、电路、电磁场、热、机械应力、材料等不同方向，传统相互割裂的仿真手段已不能满足未来更高电压、更大容量定制化器件研制需求。
技术实现要素：
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种芯片及器件设计的联合仿真方法和系统。
实现上述目的所采用的解决方案为：
一种芯片及器件设计的联合仿真方法，其改进之处在于：
根据元胞参数和半导体层级设计图，建立多下级单位并联等效电路模型；
根据所述多下级单位并联等效电路模型，进行半导体层级内下级单位并联的电压、电流、热和力的耦合仿真，得到半导体层级内电压、电流、热和力场分布；
将耦合仿真得到的下级单位电流和电压输入电磁场仿真模块，进行仿真得到半导体层级内电磁场分布；
其中，所述元胞参数包括动静态特性和等效电容；所述半导体层级包括芯片和器件；当所述半导体层级为芯片时，所述下级单位为元胞；当所述半导体层级为器件时，所述下级单位为芯片。
本发明提供的第一优选技术方案，其改进之处在于，所述根据元胞参数和半导体层级设计图，建立多下级单位并联等效电路模型，包括：
基于半导体层级设计图和元胞工艺仿真模块得到元胞参数，并根据半导体层级通过电路仿真模块建立下级单位等效电路模型；
根据所述半导体层级设计图，通过杂散参数提取单元提取半导体层级内部寄生参数；
基于所述半导体层级内部寄生参数和下级单位等效电路模型，通过电路仿真模块建立多下级单位并联等效电路模型。
本发明提供的第二优选技术方案，其改进之处在于，所述基于半导体层级设计图和元胞工艺仿真模块得到元胞参数，并根据半导体层级通过电路仿真模块建立下级单位等效电路模型，包括：
当所述半导体层级为芯片时，基于元胞设计图和元胞工艺仿真模块得到元胞参数，通过电路仿真模块建立元胞等效电路模型；
当所述半导体层级为器件时，基于元胞设计图和元胞工艺仿真模块得到元胞参数，并按照元胞与芯片尺寸放大芯片电流，通过电路仿真模块建立芯片等效电路模型。
本发明提供的第三优选技术方案，其改进之处在于，所述根据所述多下级单位并联等效电路模型，进行半导体层级内下级单位并联的电压、电流、热和力的耦合仿真，得到半导体层级内电压、电流、热和力场分布，包括：
电路仿真模块根据所述多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的下级单位温度和压力，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布，并将所述下级单位功率发送至热力仿真模块；
所述热力仿真模块根据所述下级单位功率，结合半导体层级设计图，进行半导体层级内热力仿真得到半导体层级内下级单位温度和压力分布，并将所述下级单位温度和压力发送至电路仿真模块。
本发明提供的第四优选技术方案，其改进之处在于，所述电路仿真模块根据所述多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的下级单位温度和压力，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布，包括：
若电路仿真模块首次进行仿真，则根据所述多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的预设下级单位温度和压力初始值，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布；
否则根据所述多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的上一次仿真计算的下级单位温度和压力，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布。
本发明提供的第五优选技术方案，其改进之处在于，所述热力仿真模块根据所述下级单位功率，结合半导体层级设计图，进行半导体层级内热力仿真得到半导体层级内下级单位温度和压力分布，包括：
所述热力仿真模块根据所述下级单位功率得到下级单位功率密度；
所述热力仿真模块根据所述下级单位功率密度，结合半导体层级设计图，进行半导体层级内热力仿真得到下级单位温度和压力分布。
一种芯片及器件设计的联合仿真系统，其改进之处在于，包括电路仿真模块、热力仿真模块和电磁场仿真模块；
所述电路仿真模块，用于根据元胞参数和半导体层级设计图，建立多下级单位并联等效电路模型；还用于根据所述多下级单位并联等效电路模型，结合所述热力仿真模块进行所述半导体层级内下级单位并联的电压、电流、热和力的耦合仿真，得到半导体层级内下级单位电压、电流、热和力场分布；
所述电磁场仿真模块，用于根据下级单位电流和电压，进行仿真得到半导体层级内电磁场分布；
其中，所述元胞参数包括动静态特性和等效电容；所述半导体层级包括芯片和器件；当所述半导体层级为芯片时，所述下级单位为元胞；当所述半导体层级为器件时，所述下级单位为芯片。
本发明提供的第六优选技术方案，其改进之处在于，所述电路仿真模块包括下级单位建模单元、杂散参数提取单元和多下级单位并联建模单元；
所述下级单位建模单元，用于基于半导体层级设计图和元胞工艺仿真模块得到元胞参数，并根据半导体层级通过电路仿真模块建立下级单位等效电路模型；
所述杂散参数提取单元，用于根据半导体层级设计图提取半导体层级内部寄生参数；
所述多下级单位并联建模单元，用于基于所述半导体层级内部寄生参数和下级单位等效电路模型，通过电路仿真模块建立多下级单位并联等效电路模型。
本发明提供的第七优选技术方案，其改进之处在于，电路仿真模块根据所述多下级单位并联等效电路模型，结合所述热力仿真模块进行所述半导体层级内下级单位并联的电压、电流、热和力的耦合仿真，得到半导体层级内下级单位电压、电流、热和力场分布，包括：
所述电路仿真模块根据所述多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的下级单位温度和压力，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布，并将所述下级单位功率发送至热力仿真模块；
所述热力仿真模块根据所述下级单位功率，结合半导体层级设计图，进行半导体层级内热力仿真得到半导体层级内下级单位温度和压力分布，并将所述下级单位温度和压力发送至电路仿真模块。
本发明提供的第八优选技术方案，其改进之处在于，所述电路仿真模块包括首次仿真单元和后续仿真单元；
所述首次仿真单元，用于根据所述多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的预设下级单位温度和压力初始值，首次仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布；
所述后续仿真单元，用于根据所述多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的上一次仿真计算的下级单位温度和压力，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布。
本发明提供的第九优选技术方案，其改进之处在于，所述热力仿真模块包括功率密度单元和热力仿真单元；
所述功率密度单元，用于根据所述下级单位功率得到下级单位功率密度；
所述热力仿真单元，用于根据所述下级单位功率密度，结合半导体层级设计图，进行半导体层级内热力仿真得到下级单位温度和压力分布。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明提出的一种芯片及器件设计的联合仿真方法和系统，涵盖从功率开关器件的芯片设计和器件封装设计等环节领域，保证在硅设计的初期，就可以将功率半导体器件的电压、电流、热、电磁和力场等特征提取出来，建立芯片、器件联合仿真模型，反复优化各层级设计参数，实现芯片与器件整体性能最优，提高器件研发效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种芯片及器件设计的联合仿真方法流程示意图；
图2为本发明提供的芯片设计联合仿真方法原理示意图；
图3为本发明提供的一种芯片设计联合仿真方法流程示意图：
图4为本发明提供的器件设计联合仿真方法原理示意图；
图5为本发明提供的一种器件设计联合仿真方法流程示意图；
图6为本发明提供的一种芯片及器件设计的联合仿真系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
一种芯片及器件设计的联合仿真方法，如图1所示，包括：
步骤1：根据元胞参数和半导体层级设计图，建立多下级单位并联等效电路模型。
步骤2：根据多下级单位并联等效电路模型，进行半导体层级内下级单位并联的电压、电流、热和力的耦合仿真，得到半导体层级内电压、电流、热和力场分布。
步骤3：将耦合仿真得到的下级单位电流和电压输入电磁场仿真模块，进行仿真得到半导体层级内电磁场分布。
其中，元胞参数包括动静态特性和等效电容；半导体层级包括芯片和器件；当半导体层级为芯片时，下级单位为元胞；当半导体层级为器件时，下级单位为芯片。
具体的，步骤1包括：
步骤1-1：基于半导体层级设计图和元胞工艺仿真模块得到元胞参数，并根据半导体层级通过电路仿真模块建立下级单位等效电路模型。
执行步骤1-1时，当半导体层级为芯片时，基于元胞设计图和元胞工艺仿真模块得到元胞参数，通过电路仿真模块建立元胞等效电路模型；
当半导体层级为器件时，基于元胞设计图和元胞工艺仿真模块得到元胞参数，并按照元胞与芯片尺寸放大芯片电流，通过电路仿真模块建立芯片等效电路模型。
步骤1-2：根据半导体层级设计图，通过杂散参数提取单元提取半导体层级内部寄生参数。
步骤1-3基于半导体层级内部寄生参数和下级单位等效电路模型，通过电路仿真模块建立多下级单位并联等效电路模型。
步骤2包括：
步骤2-1：电路仿真模块根据多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的下级单位温度和压力，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布，并将下级单位功率发送至热力仿真模块。
步骤2-2：热力仿真模块根据下级单位功率，结合半导体层级设计图，进行半导体层级内热力仿真得到半导体层级内下级单位温度和压力分布，并将下级单位温度和压力发送至电路仿真模块。
步骤2-1和步骤2-2在每个仿真步长都进行迭代仿真计算，直到经过多次仿真计算得到的电压、电流、热和力场分布达到预设精度要求。步骤2-1中，若电路仿真模块首次进行仿真，则根据多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的预设下级单位温度和压力初始值，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布；否则根据多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的上一次仿真计算的下级单位温度和压力，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布。
步骤2-2中，具体包括：
步骤2-2-1：热力仿真模块根据下级单位功率得到下级单位功率密度；
步骤2-2-2：热力仿真模块根据下级单位功率密度，结合半导体层级设计图，进行半导体层级内热力仿真得到下级单位温度和压力分布。
实施例2：
本发明还给出了一种芯片设计的联合仿真方法，在芯片设计时，联合仿真系统通过总体仿真时序及步长控制，实现元胞及终端版图设计模块、元胞工艺仿真模块、杂散参数提取单元、电路仿真模块、电磁场仿真模块和热力仿真模块的自动数据传递及联合仿真，快速准确分析出芯片内部各物理参数的分布情况。
该方法原理如图2所示，流程如图3所示，包括：
步骤201：将元胞工艺仿真模块输出的包括动静态特性和等效电容的元胞参数传递给电路仿真模块，建立元胞等效电路模型；
步骤202：将元胞及终端版图设计模块输出的芯片设计图传递给杂散参数提取单元、电磁场仿真模块和热力仿真模块，杂散参数提取单元提取出芯片内部寄生参数，并将该参数传递给电路仿真模块，电路仿真模块结合元胞等效电路模型建立多元胞并联等效电路模型；
步骤203：将电路仿真模块输出的元胞功率传递给热力仿真模块，将热力仿真模块输出的元胞温度和压力传递给电路仿真模块，结合芯片设计图和多元胞并联等效电路模型，完成芯片内元胞并联的电压、电流、热和力场路参数耦合仿真；
步骤204：将电路仿真模块输出的元胞电压和电流传递给电磁场仿真模块，结合芯片设计图，完成芯片内电磁场分布仿真。
具体的，芯片内元胞并联的电压、电流、热和力场路参数耦合仿真还包括：
在每个步长计算之初修正电路仿真模块中的温度和压力输入参数以及热力仿真模块中的功率输入参数，经过多次迭代仿真计算，直到仿真计算得到的电压、电流、热和力场分布达到预设的精度要求。若电路仿真模块首次进行仿真，则根据多元胞并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的预设元胞温度和压力初始值，仿真计算芯片内元胞功率、电压和电流分布；否则根据多元胞并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的上一次仿真计算的元胞温度和压力，仿真计算芯片内元胞功率、电压和电流分布，最后将元胞功率发送至热力仿真模块。热力仿真模块则根据电路仿真模块输出的元胞功率得到功率密度，结合芯片设计图，进行芯片内热力仿真得到芯片内元胞温度和压力分布，并将元胞温度和压力发送至电路仿真模块。
实施例3：
本发明还提供了一种器件设计的联合仿真方法，在器件封装设计时，联合仿真系统通过总体仿真时序及步长控制，实现元胞工艺仿真模块、封装结构设计模块、杂散参数提取单元、电路仿真模块、电磁场仿真模块和热力仿真模块的自动数据传递及联合仿真，快速准确分析出器件内部各物理参数的分布情况。
该方法原理图如图4所示，流程如图5所示，包括：
步骤301：将元胞工艺仿真模块输出的包括动静态特性和等效电容的元胞参数传递给电路仿真模块，按照元胞与芯片尺寸放大芯片电流，建立芯片等效电路模型；
步骤302：将封装结构设计模块输出的器件设计图传递给杂散参数提取单元、电磁场仿真模块和热力仿真模块，杂散参数提取单元提取出器件内部寄生参数，并将该参数传递给电路仿真模块，电路仿真模块结合芯片等效电路模型建立多芯片并联等效电路模型；
步骤303：将电路仿真模块输出的芯片功率传递给热力仿真模块，将热力仿真模块输出的芯片温度和压力传递给电路仿真模块，结合器件设计图和多芯片并联等效电路模型，完成器件内芯片并联的电压、电流、热和力场路参数耦合仿真；
步骤304：将电路仿真模块输出的芯片电压和电流传递给电磁场仿真模块，结合器件设计图，完成器件内电磁场分布仿真。
具体的，器件内芯片并联的电压、电流、热和力场路参数耦合仿真还包括：
在每个步长计算之初修正电路仿真模块中的温度和压力输入参数以及热力仿真模块中的功率输入参数，经过多次迭代仿真计算，直到仿真计算得到的电压、电流、热和力场分布达到预设的精度要求。若电路仿真模块首次进行仿真，则根据多芯片并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的预设芯片温度和压力初始值，仿真计算器件内芯片功率、电压和电流分布；否则根据多芯片并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的上一次仿真计算的芯片温度和压力，仿真计算器件内芯片功率、电压和电流分布，最后将芯片功率发送至热力仿真模块。热力仿真模块则根据电路仿真模块输出的芯片功率得到功率密度，结合器件设计图，进行器件内热力仿真得到器件内芯片温度和压力分布，并将芯片温度和压力发送至电路仿真模块。
实施例4：
本发明还提供了一种芯片及器件设计的联合仿真系统，其结构如图6所示，包括电路仿真模块、热力仿真模块和电磁场仿真模块；
电路仿真模块，用于根据元胞参数和半导体层级设计图，建立多下级单位并联等效电路模型；还用于根据多下级单位并联等效电路模型，结合热力仿真模块进行半导体层级内下级单位并联的电压、电流、热和力的耦合仿真，得到半导体层级内下级单位电压、电流、热和力场分布；
电磁场仿真模块，用于根据下级单位电流和电压，进行仿真得到半导体层级内电磁场分布；
其中，元胞参数包括动静态特性和等效电容；半导体层级包括芯片和器件；当半导体层级为芯片时，下级单位为元胞；当半导体层级为器件时，下级单位为芯片。
其中，电路仿真模块包括下级单位建模单元、杂散参数提取单元和多下级单位并联建模单元；
下级单位建模单元，用于基于半导体层级设计图和元胞工艺仿真模块得到元胞参数，并根据半导体层级通过电路仿真模块建立下级单位等效电路模型；
杂散参数提取单元，用于根据半导体层级设计图提取半导体层级内部寄生参数；
多下级单位并联建模单元，用于基于半导体层级内部寄生参数和下级单位等效电路模型，通过电路仿真模块建立多下级单位并联等效电路模型。
其中，电路仿真模块根据多下级单位并联等效电路模型，结合热力仿真模块进行半导体层级内下级单位并联的电压、电流、热和力的耦合仿真，得到半导体层级内下级单位电压、电流、热和力场分布，包括：
电路仿真模块根据多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的下级单位温度和压力，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布，并将下级单位功率发送至热力仿真模块；
热力仿真模块根据下级单位功率，结合半导体层级设计图，进行半导体层级内热力仿真得到半导体层级内下级单位温度和压力分布，并将下级单位温度和压力发送至电路仿真模块。
其中，电路仿真模块包括首次仿真单元和后续仿真单元；
首次仿真单元，用于根据多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的预设下级单位温度和压力初始值，首次仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布；
后续仿真单元，用于根据多下级单位并联等效电路模型，并结合热力仿真模块输出的上一次仿真计算的下级单位温度和压力，仿真计算半导体层级内下级单位功率、电压和电流分布。
其中，热力仿真模块包括功率密度单元和热力仿真单元；
功率密度单元，用于根据下级单位功率得到下级单位功率密度；
热力仿真单元，用于根据下级单位功率密度，结合半导体层级设计图，进行半导体层级内热力仿真得到下级单位温度和压力分布。
该系统还包括元胞工艺仿真模块、元胞及终端版图设计模块和封装结构设计模块。其中，元胞工艺仿真模块用于根据元胞设计图输出元胞参数，元胞及终端版图设计模块用于输出芯片设计图，封装结构设计模块用于输出器件设计图。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。