碳化硅MOSFET干扰源建模方法、设备及存储介质技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅MOSFET干扰源建模方法、设备及存储介质，该方法包括构建考虑高频寄生参数的碳化硅MOSFET等效测试电路模型；基于碳化硅MOSFET等效测试电路模型，对碳化硅MOSFET开关过程进行分析，得到漏源电压在开关过程中的通用波形；根据漏源电压在开关过程中的通用波形计算出碳化硅MOSFET在时域的分段函数表达式；根据分段函数表达式构建碳化硅MOSFET干扰源的通用波形模型。本发明专利技术可以更为精确预测电磁干扰，极大提高了预测电磁干扰的准确性。的准确性。的准确性。

【技术实现步骤摘要】
碳化硅MOSFET干扰源建模方法、设备及存储介质


[0001]本专利技术属于碳化硅MOSFET
，尤其涉及一种碳化硅MOSFET干扰源建模方法、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]电力电子开关器件具有开关速度快、饱和电压低、安全工作区域宽等优点，其广泛应用于高压直流输电、轨道交通、航空航天等领域。然而，电力电子开关器件在高速开关过程中会产生电磁干扰(EMI)，严重影响器件所在系统的电磁环境。
[0003]评估器件所在系统的电磁干扰的方法可分为时域分析法和频域分析法。前者先获得作为干扰源的器件的时域波形，然后求解电路方程得到系统的干扰电压或电流，最后利用傅里叶变换FT得到干扰的频谱特性，时域分析法一般用于简单的系统分析；后者通过电磁干扰源和发射路径的频域特性来获得系统的干扰水平，更适合于复杂系统的分析。上述两种电磁干扰评估方法都与干扰源的建模有关。因此，对作为干扰源的器件进行准确建模，进而分析其频谱特性，对限制电磁干扰的产生和发射具有特殊的意义。
[0004]为了提前评估电力电子开关器件所在系统的电磁干扰水平，更多的研究希望通过数值计算来获得干扰源，以便在系统投入运行之前估计系统产生的电磁干扰水平。目前，器件干扰源（即作为干扰源的器件）的数值计算方法包括行为模型建立和开关波形等效。在行为模型建立方法上，可以准确模拟开关过程中电压和电流的时域波形特征，从而通过FT更准确地获得频谱特征参数。但是，器件行为模型结构复杂，计算收敛性差，仅适用于电磁干扰的时域计算，更适合描述器件在开关过程中的电压和电流行为特性。相比之下，开关波形等效法不仅简单有效，而且可以应用于电磁干扰的频域求解，因此，开关波形等效方法在解决系统电磁干扰方面具有较好的前景，并在一些研究中得到了很好的发展。
[0005]目前，常用的开关波形等效方法是将电力电子开关器件（例如功率半导体器件）的开关信号等效为理想方波、梯形波、多斜率阶梯波等，但是存在着以下问题：（1）将碳化硅MOSFET的开关波形等效为梯形波和阻尼波的叠加波形时，由于二极管反向恢复和回路的杂散电感，碳化硅MOSFET的开关波形不会以规则的梯形波出现，而会出现超调和凹陷，这些需要在对电磁干扰源建模时进行考虑。
[0006]（2）现有的基于时域表达式的开关波形等效基本是将开关中的每个过程等效为一条斜率固定的线段，其本质是将每个过程中的电容值等效为固定值。但由于碳化硅MOSFET内部的寄生电容会随着漏源电压的变化，输出电容容值至少产生了一个数量级的变化，反向电容容值变化甚至有两个数量级，这对开通过程中的电压下降阶段与关断过程中的电压上升阶段的影响尤为明显，进而导致开关波形等效不准确。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种碳化硅MOSFET干扰源建模方法、设备及存储介质，以解决传统开关波形等效法未考虑寄生参数的影响，导致开关波形等效不准确的问题。
[0008]本专利技术是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种碳化硅MOSFET干扰源建模方法，包括以下步骤：构建考虑高频寄生参数的碳化硅MOSFET等效测试电路模型；基于所述碳化硅MOSFET等效测试电路模型，对碳化硅MOSFET开关过程进行分析，得到漏源电压在开关过程中的通用波形；根据所述漏源电压在开关过程中的通用波形计算出碳化硅MOSFET在时域的分段函数表达式；根据所述分段函数表达式构建碳化硅MOSFET干扰源的通用波形模型。
[0009]进一步地，所述高频寄生参数包括栅极和漏极之间的寄生电容、栅极和源极之间的寄生电容、漏极和源极之间的寄生电容、漏极寄生电感、源极寄生电感、栅极寄生电感、母线寄生电感以及二极管结电容。
[0010]进一步地，所述碳化硅MOSFET开关过程包括开通过程和关断过程，所述开通过程包括开通延时阶段、电流上升阶段、电压下降阶段和开通电压振荡阶段；所述关断过程包括关断延时阶段、电压上升阶段Ⅰ、电压上升阶段Ⅱ和关断电压振荡阶段。
[0011]进一步地，在所述开通延时阶段，漏源电压的通用波形等效为一条平行于时间轴的线段；在所述电流上升阶段，漏源电压V
ds
的通用波形等效为一条斜率为K1的线段，斜率K1的表达式为：；其中，g
m
表示MOSFET的跨导参数，L
loop
表示回路寄生电感，L
d
表示漏极寄生电感，L
s
表示源极寄生电感，L
bus
表示母线寄生电感，V
th
表示MOSFET的阈值电压，R
g
表示栅极的驱动电阻，C
gd
表示栅极和漏极之间的寄生电容，C
gs
表示栅极和源极之间的寄生电容，V
g
表示栅极的驱动电压；在所述电压下降阶段，漏源电压V
ds
的通用波形等效为斜率K2随C
gddg
变化的曲线，斜率K2的表达式为：；其中，V
dg
表示栅漏电压，V
mil
表示栅源电压V
gs
处于米勒平台时的电压值，C
gddg
表示栅极与漏极之间的寄生电容C
gd
随栅漏电压V
dg
变化的关系；在所述开通电压振荡阶段，漏源电压V
ds
的通用波形等效为一段正弦阻尼衰减的振荡曲线，具体表达式为：；其中，A1为开通过程中正弦阻尼振荡的初始幅值，ω1为开通过程中正弦阻尼振荡的角频率，α1为开通过程中正弦阻尼振荡的阻尼衰减系数，为漏源电压V
ds
降到静态值的时间，为时间自变量；
在所述关断延时阶段，漏源电压V
ds
的通用波形等效为一条平行于时间轴的线段；在所述电压上升阶段Ⅰ，漏源电压V
ds
的通用波形等效为一条斜率为K3的线段，斜率K3的表达式为：；在所述电压上升阶段Ⅱ，漏源电压V
ds
的通用波形等效为斜率K4随C
gddg
变化的曲线，斜率K4的表达式为：；在所述关断电压振荡阶段，漏源电压V
ds
的通用波形等效为一段正弦阻尼衰减的振荡曲线，具体表达式为：；其中，A2为关断过程中正弦阻尼振荡的初始幅值，ω2为关断过程中正弦阻尼振荡的角频率，α2为关断过程中正弦阻尼振荡的阻尼衰减系数，为漏源电压V
ds
上升到电源电压V
dd
的时间。
[0012]进一步地，碳化硅MOSFET在时域的分段函数表达式具体为：在开通延时阶段和关断延时阶段，漏源电压；在电流上升阶段，漏源电压；其中，V
dd
表示电源电压，t5≤t≤t6，t5表示电流上升阶段的起始时间，t6表示电流上升阶段的结束时间或电压下降阶段的起始时间；在电压下降阶段，漏源电压；其中，V
sat
表示MOSFET导通时的静态电压，t6≤t≤t7，t7表示电压下降阶段的结束时间或开通电压振荡阶段的起始时间；在开通电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅MOSFET干扰源建模方法，其特征在于，包括以下步骤：构建考虑高频寄生参数的碳化硅MOSFET等效测试电路模型；基于所述碳化硅MOSFET等效测试电路模型，对碳化硅MOSFET开关过程进行分析，得到漏源电压在开关过程中的通用波形；根据所述漏源电压在开关过程中的通用波形计算出碳化硅MOSFET在时域的分段函数表达式；根据所述分段函数表达式构建碳化硅MOSFET干扰源的通用波形模型。2.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET干扰源建模方法，其特征在于，所述高频寄生参数包括栅极和漏极之间的寄生电容、栅极和源极之间的寄生电容、漏极和源极之间的寄生电容、漏极寄生电感、源极寄生电感、栅极寄生电感、母线寄生电感以及二极管结电容。3.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET干扰源建模方法，其特征在于，所述碳化硅MOSFET开关过程包括开通过程和关断过程，所述开通过程包括开通延时阶段、电流上升阶段、电压下降阶段和开通电压振荡阶段；所述关断过程包括关断延时阶段、电压上升阶段Ⅰ、电压上升阶段Ⅱ和关断电压振荡阶段。4.根据权利要求3所述的碳化硅MOSFET干扰源建模方法，其特征在于，在所述开通延时阶段，漏源电压的通用波形等效为一条平行于时间轴的线段；在所述电流上升阶段，漏源电压V
ds
的通用波形等效为一条斜率为K1的线段，斜率K1的表达式为：；其中，g
m
表示MOSFET的跨导参数，L
loop
表示回路寄生电感，L
d
表示漏极寄生电感，L
s
表示源极寄生电感，L
bus
表示母线寄生电感，V
th
表示MOSFET的阈值电压，R
g
表示栅极的驱动电阻，C
gd
表示栅极和漏极之间的寄生电容，C
gs
表示栅极和源极之间的寄生电容，V
g
表示栅极的驱动电压；在所述电压下降阶段，漏源电压V
ds
的通用波形等效为斜率K2随C
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变化的曲线，斜率K2的表达式为：；其中，V
dg
表示栅漏电压，V
mil
表示栅源电压V
gs
处于米勒平台时的电压值，C
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表示栅极与漏极之间的寄生电容C
gd
随栅漏电压V
dg
变化的关系；在所述开通电压振荡阶段，漏源电压V
ds
的通用波形等效为一段正弦阻尼衰减的振荡曲线，具体表达式为：；其中，A1为开通过程中正弦阻尼振荡的初始幅值，ω1为开通过程中正弦阻尼振荡的角频率，α1为开通过程中正弦阻尼振荡的阻尼衰减系数，为漏源电压V
ds
降到静态值的时间，
为时间自变量；在所述关...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鑫，李清，王潇迪，刘岩超，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：