CN104764987A - 一种电力电子开关器件igbt高频模型寄生参数的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，将实际电路中开关器件的高频EMI特性与仿真电路中开关器件的高频EMI特性进行对比，然后采用粒子群算法对所建立仿真电路的开关器件模型寄生参数进行优化调整，使得仿真电路中开关器件的高频EMI特性与实际电路中开关器件的高频EMI特性达到一致，因此，本发明的方法可以准确建立高精度、高性能的仿真模型，进而可以有效的指导实际电路的研发，在研发实际电路过程中大大降低了返工几率，缩短了制作周期，降低了制作成本。

Description

一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法

技术领域

本发明属于电力电子器件技术领域，具体涉及一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法。

背景技术

随着功率变换技术的不断发展,以电力电子开关器件为主的功率变换器应用越来越广泛，在研制这些功率变换器实际电路之前常需要进行电路特性仿真，以准确掌握所设计电路的性能。为了能够得到精准的仿真结果，对于电路及器件精确的仿真模型建立显的至关重要。开关器件的建模是电路仿真的最关键部分，其开关器件高频模型中最难确定的是其寄生的高频参数。

电力电子开关器件的一般参数可以通过厂家提供的器件说明书获得，但是器件说明书上的参数并不能完全准确反映其高频特性，甚至有些寄生参数根本无法获得，因此电子开关器件模型不能够准确反映实际开关器件的高频特性，系统电路的仿真结果也就不能准确反映实际电路的性能。这就使得仿真结果对实际研发的指导作用大大降低，从而使得研制过程出现返工，使得制作周期变长，制作成本增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，克服了现有技术中的电子开关器件模型不能准确反映实际开关器件的高频特性造成的对实际研发指导作用差的技术问题。

本发明所采用的技术方案是，一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，采用如下系统：其包括实际测试电路，实际测试电路包括第一直流电压源，其正极连接有第一开关器件，负极连接有第一负载，在第一直流电压源和开关器件之间设置有第一端口，在第一直流电压源和负载之间设置有第二端口；第一端口连接有第一模拟数字转化器，第二端口连接有第二模拟数字转化器；第一模拟数字转换器和第二模拟数字转换器连接有计算机数据处理系统；

电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：将激励源输入至实际测试电路的第一开关器件；

步骤2：第一模拟数字转化器和第二模拟数字转化器分别采集实际测试电路中第一端口的对地EMI信号U_a1和第二端口的对地EMI信号U_a2，并将其传送至计算机数据处理系统；

步骤3：计算机数据处理系统处理传送过来的第一端口的对地EMI信号U_a1和第二端口的对地EMI信号U_a2，得到实际测试电路的差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模，实现实际测试电路的共差模EMI信号的分离；

步骤4：求取共模EMI信号U_a共模分频段的平均值，依次记为：x¹,x²,...,x³⁰；

步骤5：求取差模EMI信号U_a差模分频段的平均值，依次记为：y¹,y²,...,y³⁰；

步骤6：通过pspice仿真软件搭建仿真电路，其中包括第二开关器件，即为电力电子开关器件IGBT高频模型，其包括如下寄生参数：基极-集电极间电容C_gc、基极-发射极间电容C_ge、集电极-发射极间电容C_ce、对地电容C_cg和C_eg、寄生电感L_r；

步骤7：结合实际测试电路的差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模，采用粒子群算法迭代优化步骤6中仿真电路的电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值；

步骤8，输出得到的电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的最优值。

本发明的特点还在于，

步骤3中实际测试电路的共差模EMI信号的分离的具体方法如下；

由于测量到的实际测试电路中第一端口处的对地EMI信号U_a1是对地共模EMI信号U_a共模与对地差模EMI信号U_a差模之和，如式(1)所示，测量到的实际测试电路中第二端口处的对地EMI信号U_a2是共模EMI信号U_a共模与差模EMI信号U_a差模之差，如式(2)所示，因此，可以得到：

U_a1＝U_a共模+U_a差模   (1)；

U_a2＝U_a共模-U_a差模   (2)；

通过式(1)和(2)可以计算出差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模，

因此，得到实际测试电路的差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模。

步骤4中求取共模EMI信号分频段的平均值的方法如下：将得到的实际测试电路的共模EMI信号U_a共模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取一个平均值，得到30组实际测试电路的共模EMI信号分频段值，依次记为x¹,x²,...,x³⁰。

步骤5中求取差模EMI信号分频段的平均值的方法如下：将实际测试电路的差模EMI信号U_a差模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取平均值作为一个值，得到30组实际测试电路的差模EMI信号分频段值，依次记为：y¹,y²,...,y³⁰。

步骤6中搭建的仿真电路包括第二直流电压源，其正极连接有第二开关器件，负极连接有第二负载，在第二直流电压源和第二开关器件之间设置有第三端口，在第二直流电压源和第二负载之间设置有第四端口；第二开关器件包括串联的基极-发射极寄生电容C_ge基极-集电极寄生电容C_gc，基极-发射极寄生电容C_ge与基极-集电极寄生电容C_gc串联后与开关S、反向续流二极管D、集电极-发射极寄生电容C_ce并联，开关S的一端与发射极e相连，发射极e与负载相连；集电极-发射极寄生电容C_ce的一端与对地寄生电容C_cg相连，另一端与地寄生电容C_eg相连，反向续流二极管D的阴极与基极-集电极寄生电容C_gc相连，其阴极还依次连接有寄生电感L_r和集电极c，其阳极与基极-发射极寄生电容C_ge相连，基极g连接在基极-集电极寄生电容C_gc和基极-发射极寄生电容C_ge之间的连接导线上；

其中，开关S的参数为：关断阻值R_OFF＝4×10⁵V/A、开通阻值R_ON＝0.0055V/A、关断电压V_OFF＝-15V、开通电压V_ON＝15V；反向续流二极管D的参数为：二极管的反向饱和电流I_S＝3.18×10^-43A；最大集射级电压U_CES＝1200V；基极-集电极间电容C_gc、基极-发射极间电容C_ge、集电极-发射极间电容C_ce、对地电容C_cg和C_eg、寄生电感L_r的设置为随机值。

步骤7中采用粒子群算法迭代优化步骤6中仿真电路的电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值的具体过程如下：

7.1，将需要参与优化求解的自变量参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg进行粒子编码，编码如下式所示：

G＝[C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg]   (5)；

其中，G代表由各寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg组成的粒子；

7.2，初始化粒子群：

粒子数目M取为100个，最大迭代次数为K，K＝25，惯量权重因子ω设置为0.4≤ω≤0.9，ω₁＝0.4，ω_K＝0.9，学习因子c₁＝c₂＝1.8，：

粒子i的初始位置X₁(i)如下式所示：

X₁(i)＝G(min)+(G(max)-G(min))×rand(1,1))   (6)；

根据实际测试电路的第一开关器件的型号，确定粒子的最大值G(max)与最小值G(min)；

粒子i的初始速度如下式所示：

V₁(i)＝V(max)×rand(1,1)   (7)；

V(max)的值取G(max)的值

其中，i表示粒子的数目，i＝1～100，rand(1,1)为0～1之间的随机数；

从初始化的100个粒子群中随机选取一个粒子作为初始的局部最优粒子，记为P₁，其值为个体极值，并将其作为全局最优粒子，记为G₁，其值为全局极值，将该粒子的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg值作为步骤6中仿真电路中C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，搭建新的仿真电路，计算该粒子的适应值，记为J_1(best)，也就是初始过程中全局最优粒子的适应值，记为F_1(best)；

7.3，优化参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg：

(1)更新粒子速度和位置：

V_k+1(i)＝w_k×V_k(i)+c₁×rand₁(1,1)×(P_k-X_k(i)+c₂×rand₂(1,1)×(G_k-X_k(i))   (8)；

X_k+1(i)＝X_k(i)+V_k+1(i))   (9)；

$w_{k+1}=w_1-\frac{w_1-w_K}{K}\×k---\left(10\right);$

其中：k表示当前迭代次数。

(2)将更新后的各粒子的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值分别作为步骤6中仿真电路中C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，搭建新的仿真电路，按照求取J_1(best)的方法计算各粒子的适应值J_k+1(i)；

(3)更新个体极值与全局极值：

将适应值J_k+1(i)最小的粒子作为此次迭代过程得到的局部最优粒子，其值为新的个体极值，该粒子的适应值记为J_k+1(best)，该局部最优粒子记为P_k+1；

将局部最优粒子P_k+1对应的J_k+1(best)与全局最优粒子G_k对应的适应值F_k(best)相比较，若J_k+1(best)>F_k(best)，则P_k+1替换G_k为此次迭代过程的全局最优粒子G_k+1，F_k+1(best)＝J_k+1(best)；反之，则G_k仍为此次迭代过程的全局最优粒子，记为G_k+1，F_k+1(best)＝F_k(best)；此次迭代过程的全局最优粒子G_k+1的值为新的全局极值；

7.4，重复步骤7.3，直至达到迭代次数K，终止迭代过程，得到全局最优粒子G_K+1，然后将全局最优粒子G_K+1的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值作为步骤6中仿真测试电路中C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，搭建新的仿真电路，并计算该粒子的适应值J_K+1，最后判断在迭代过程中全局最优粒子G_k的适应值是否满足至少连续10次小于0.000001，若满足，全局最优粒子G_K+1的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，即为获取的最终电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数；若不满足，进入步骤7.5；

步骤7.5，改变总迭代次数为K_j，K_j＝K+jC，C为大于等于5的自然数，重复采用步骤7.1～7.4的方法，直至在迭代过程中全局最优粒子G_k(j)的适应值满足至少连续10次小于0.000001，最终得到的全局最优粒子的参数即为构建电力电子开关器件IGBT高频模型的最优参数；

步骤7.2中求解J_1(best)过程如下：

(1)，计算机数据处理系统处理新的仿真电路第三端口的对地EMI信号U_s1，第四端口的对地EMI信号U_s2，得到新的仿真电路的差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模，实现仿真电路的共差模EMI信号的分离；

(2)，求取仿真电路共模EMI信号和差模EMI信号分频段的平均值，分别记为：m¹,m²,...,m³⁰，n¹,n²,...,n³⁰；

(3)，求取差模EMI信号与共模EMI信号相对误差：

将实际测试电路的30组实测差模EMI信号分频段值y¹,y²,...,y³⁰与新的仿真电路的30组差模EMI信号分频段值n¹,n²,...,n³⁰进行一一对应求取相对误差

将实际测试电路的30组实测共模EMI信号分频段值x¹,x²,...,x³⁰与新的仿真电路的30组共模EMI信号m¹,m²,...,m³⁰分频段值进行一一对应求取相对误差

其中，l＝1,2…，30；

(4)，计算该粒子的当前适应值J_1(best)：

步骤7.2中得到新的仿真电路的差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模的方法如下：

由于仿真电路中第一端口处的对地EMI信号U_s1是共模EMI信号U_s共模与差模EMI信号U_s差模之和，如式(14)所示；仿真测试电路中第二端口处对地EMI信号是共模EMI信号U_s共模与差模EMI信号U_s差模之差，如式(15)所示，因此，可以得到：

U_s1＝U_s共模+U_s差模   (14)；

U_s2＝U_s共模-U_s差模   (15)；

通过式(14和(15)可以计算出差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模，

因此，可以得到新的仿真电路的差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模；

步骤7.2中求取仿真电路共模EMI信号和差模EMI信号分频段的平均值的方法如下：

将得到的共模EMI信号U_s共模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取一个平均值，得到30组新的仿真电路的共模EMI信号分频段值，依次记为：m¹,m²,...,m³⁰；

将得到的差模EMI信号U_s差模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取平均值作为一个值，得到30组新的仿真电路的差模EMI信号分频段值，依次记为：n¹,n²,...,n³⁰。

第一开关器件采用德国SEMIKRON的SKM400GB123D型号的IGBT。

本发明的有益效果是，本发明的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，将实际电路中开关器件的高频EMI特性与仿真电路中开关器件的高频EMI特性进行对比，然后采用粒子群算法对所建立的开关器件模型寄生参数进行优化调整，使得仿真电路中开关器件的高频EMI特性与实际电路中开关器件的高频EMI特性达到一致，可以准确建立高精度、高性能的仿真模型，进而可以有效的指导实际电路的研发，在研发实际电路过程中大大降低了返工几率，缩短了制作周期，降低了制作成本。

附图说明

图1是电力电子开关器件高频寄生参数优化提取系统图；

图2是实际测试电路示意图；

图3是仿真软件搭建的仿真电路示意图；

图4是电力电子开关器件高频寄生参数提取的流程图；

图5是优化算法流程图。

图中，1.实际测试电路，2.第一模拟数字转换器，3.第二模拟数字转换器，4.计算机数据处理系统，5.第一直流电压源，6.第一端口，7.第一开关器件，8.第一负载，9.第二端口，10.第二直流电压源，11.第三端口，12.第二开关器件，13.第二负载，14.第四端口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1，一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取系统包括实际测试电路1，实际测试电路连接有第一模拟数字转换器2，第二模拟数字转换器3，第一模拟数字转换器和第二模拟数字转换器3连接有计算机数据处理系统4。

参见图2，实际测试电路1包括第一直流电压源5，其正极连接有第一开关器件7，负极连接有第一负载8，在第一直流电压源5和开关器件7之间设置有第一端口6，在第一直流电压源5和负载8之间设置有第二端口9；第一模拟数字转化器2和第一端口连接，第二模拟数字转化器3和第二端口连接；第一开关器件7采用德国SEMIKRON的SKM400GB123D型号的IGBT。

第一直流电压源10为100V的电压源，第一负载8为10Ω的纯阻性负载。

参见图4，本发明的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：将激励源输入至实际测试电路1的第一开关器件7，激励源是通过信号发生器发出的正向电压为+15V，负向电压为-15V，占空比50％，频率为20kHz的方波脉冲；

步骤2：第一模拟数字转化器2和第二模拟数字转化器3分别采集实际测试电路中第一端口的对地EMI信号U_a1和第二端口的对地EMI信号U_a2，并将其传送至计算机数据处理系统4；

步骤3：计算机数据处理系统4处理传送过来的第一端口6的对地EMI信号U_a1和第二端口9的对地EMI信号U_a2，实现实际测试电路的共差模EMI信号的分离，具体方法如下：

由于测量到的实际测试电路中第一端口处的对地EMI信号U_a1是对地共模EMI信号U_a共模与对地差模EMI信号U_a差模之和，如式(1)所示，测量到的实际测试电路中第二端口处的对地EMI信号U_a2是共模EMI信号U_a共模与差模EMI信号U_a差模之差，如式(2)所示，因此，可以得到：

U_a1＝U_a共模+U_a差模   (1)；

U_a2＝U_a共模-U_a差模   (2)；通过式(1)和(2)可以计算出差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模，

因此，得到实际测试电路的差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模。

步骤4：求取共模EMI信号分频段的平均值：

将得到的实际测试电路的共模EMI信号U_a共模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取一个平均值，得到30组实际测试电路的共模EMI信号分频段值，依次记为x¹,x²,...,x³⁰；

步骤5：求取差模EMI信号分频段的平均值：

将实际测试电路的差模EMI信号U_a差模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取平均值作为一个值，得到30组实际测试电路的差模EMI信号分频段值，依次记为：y¹,y²,...,y³⁰；

步骤6：通过pspice仿真软件搭建仿真电路：参见图3，其包括第二直流电压源10，其正极连接有第二开关器件12，负极连接有第二负载13，在第二直流电压源10和第二开关器件12之间设置有第三端口11，在第二直流电压源10和第二负载13之间设置有第四端口14；第二开关器件12即为电力电子开关器件IGBT高频模型，其包括串联的基极-发射极寄生电容C_ge与基极-集电极寄生电容C_gc，基极-发射极寄生电容C_ge与基极-集电极寄生电容C_gc串联后与开关S、反向续流二极管D、集电极-发射极寄生电容C_ce并联，开关S的一端与发射极e相连，发射极e与负载相连；集电极-发射极寄生电容C_ce的一端与对地寄生电容C_cg相连，另一端与地寄生电容C_eg相连，反向续流二极管D的阴极与基极-集电极寄生电容C_gc相连，其阴极还依次连接有寄生电感L_r和集电极c，其阳极与基极-发射极寄生电容C_ge相连，基极g连接在基极-集电极寄生电容C_gc和基极-发射极寄生电容C_ge之间的连接导线上；

其中，开关S的参数为：关断阻值R_OFF＝4×10⁵V/A、开通阻值R_ON＝0.0055V/A、关断电压V_OFF＝-15V、开通电压V_ON＝15V；反向续流二极管D的参数为：二极管的反向饱和电流I_S＝3.18×10^-43A；最大集射级电压U_CES＝1200V；第二直流电压源为100V，第二负载为10Ω的电阻；

基极-集电极间电容C_gc、基极-发射极间电容C_ge、集电极-发射极间电容C_ce、对地电容C_cg和C_eg、寄生电感L_r的值设置为随机值。

步骤7，粒子群算法确定步骤6中仿真电路的电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值：

7.1，将需要参与优化求解的自变量参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg进行粒子编码，编码如下式所示：

G＝[C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg]   (5)；

其中，G代表由各寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg组成的粒子；

7.2，初始化粒子群：

粒子数目M取为100个，最大迭代次数为K，K＝25，惯量权重因子ω设置为0.4≤ω≤0.9，ω₁＝0.4，ω_K＝0.9，学习因子c₁＝c₂＝1.8：

粒子i的初始位置X₁(i)如下式所示：

X₁(i)＝G(min)+(G(max)-G(min))×rand(1,1))   (6)；

根据SKM400GB123D型号的IGBT具体模型，确定粒子的最大值与最小值：

G(max)＝[3.0628×10^-9,2.821×10^-8,5.2×10^-12,2.6×10^-8,3.9×10^-11,7.8×10^-11]

G(min)＝[1.650×10^-9,1.519×10^-8,2.8×10^-12,1.4×10^-8,2.1×10^-11,4.2×10^-11]

粒子i的初始速度如下式所示：

V₁(i)＝V(max)×rand(1,1)   (7)；

V(max)＝[3.0628×10^-9,2.821×10^-8,5.2×10^-12,2.6×10^-8,3.9×10^-11,7.8×10^-11]

其中，i表示粒子的数目，i＝1～100，rand(1,1)为0～1之间的随机数；

从初始化的100个粒子群中随机选取一个粒子作为初始的局部最优粒子，记为P₁，其值为个体极值，并将其作为全局最优粒子，记为G₁，其值为全局极值，将该粒子的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg值作为步骤6中仿真电路中C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，搭建新的仿真电路，计算该粒子的适应值，记为J_1(best)，也就是初始过程中全局最优粒子的适应值，记为F_1(best)，J_1(best)的计算过程如下：

(1)，计算机数据处理系统4处理新的仿真电路第三端口的对地EMI信号U_s1，第四端口的对地EMI信号U_s2，实现仿真电路的共差模EMI信号的分离，具体方法如下：

由于仿真电路中第一端口处的对地EMI信号U_s1是共模EMI信号U_s共模与差模EMI信号U_s差模之和，如式(8)所示；仿真测试电路中第二端口处对地EMI信号是共模EMI信号U_s共模与差模EMI信号U_s差模之差，如式(9)所示，因此，可以得到：

U_s1＝U_s共模+U_s差模   (8)；

U_s2＝U_s共模-U_s差模   (9)；

通过式(8)和(9)可以计算出差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模，

因此，可以得到新的仿真电路的差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模；

(2)，求取仿真电路共模EMI信号和差模EMI信号分频段的平均值：

将得到的共模EMI信号U_s共模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取一个平均值，得到30组新的仿真电路的共模EMI信号分频段值，依次记为：m¹,m²,...,m³⁰；

将得到的差模EMI信号U_s差模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取平均值作为一个值，得到30组新的仿真电路的差模EMI信号分频段值，依次记为：n¹,n²,...,n³⁰；

(3)，求取差模EMI信号与共模EMI信号相对误差：

将实际测试电路的30组实测差模EMI信号分频段值y¹,y²,...,y³⁰与新的仿真电路的30组差模EMI信号分频段值n¹,n²,...,n³⁰进行一一对应求取相对误差计算公式如下：

将实际测试电路的30组实测共模EMI信号分频段值x¹,x²,...,x³⁰与新的仿真电路的30组共模EMI信号m¹,m²,...,m³⁰分频段值进行一一对应求取相对误差计算公式如下：

其中，l＝1,2…，30；

(4)，计算该粒子的当前适应值J_1(best)：

7.3，优化参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg：

(1)更新粒子速度和位置：

V_k+1(i)＝ω_k×V_k(i)+c₁×rand₁(1,1)×(P_k-X_k(i)+c₂×rand₂(1,1)×(G_k-X_k(i))   (15)；

X_k+1(i)＝X_k(i)+V_k+1(i))   (16)；

$w_{k+1}=w_1-\frac{w_1-w_K}{K}\×k---\left(17\right);$

其中：k表示当前迭代次数。

(2)将更新后的各粒子的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值分别作为步骤6中仿真电路中C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，搭建新的仿真电路，按照求取J_1(best)的方法计算各粒子的适应值J_k+1(i)；

(3)更新个体极值与全局极值：

将适应值J_k+1(i)最小的粒子作为此次迭代过程得到的局部最优粒子，其值为新的个体极值，该粒子的适应值记为J_k+1(best)，该局部最优粒子记为P_k+1；

将局部最优粒子P_k+1对应的J_k+1(best)与全局最优粒子G_k对应的适应值F_k(best)相比较，若J_k+1(best)>F_k(best)，则P_k+1替换G_k为此次迭代过程的全局最优粒子G_k+1，F_k+1(best)＝J_k+1(best)；反之，则G_k仍为此次迭代过程的全局最优粒子G_k+1，F_k+1(best)＝F_k(best)；此次迭代过程的全局最优粒子G_k+1的值为新的全局极值；

7.4，重复步骤7.3，直至达到迭代次数K，终止迭代过程，得到全局最优粒子G_K+1，然后将全局最优粒子G_K+1的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值作为步骤6中仿真测试电路中C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，搭建新的仿真电路，并计算该粒子的适应值J_K+1，最后判断在迭代过程中全局最优粒子G_k的适应值是否满足至少连续10次小于0.000001，若满足，全局最优粒子G_K+1的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，即为获取的最终电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数；若不满足，进入步骤7.5；

步骤7.5，改变总迭代次数为K_j，K_j＝K+jC，C为大于等于5的自然数，重复步骤7.1～7.4，直至在迭代过程中全局最优粒子G_k(j)的适应值满足至少连续10次小于0.000001，最终得到的全局最优粒子的参数即为构建电力电子开关器件IGBT高频模型的最优参数；

步骤8，输出得到的电力电子开关器件IGBT高频模型的最优参数。

本发明的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，将实际电路中开关器件的高频EMI特性与仿真电路中开关器件的高频EMI特性进行对比，然后采用粒子群算法对所建立的开关器件模型寄生参数进行优化调整，使得仿真电路中开关器件的高频EMI特性与实际电路中开关器件的高频EMI特性达到一致，可以准确建立高精度、高性能的仿真模型，进而可以有效的指导实际电路的研发，在研发实际电路过程中大大降低了返工几率，缩短了制作周期，降低了制作成本。

Claims (10)

1.一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，采用如下系统：其包括实际测试电路(1)，实际测试电路(1)包括第一直流电压源(5)，其正极连接有第一开关器件(7)，负极连接有第一负载(8)，在第一直流电压源(5)和开关器件(7)之间设置有第一端口(6)，在第一直流电压源(5)和负载(8)之间设置有第二端口(9)；第一端口(6)连接有第一模拟数字转化器(2)，第二端口(9)连接有第二模拟数字转化器(3)；第一模拟数字转换器(2)和第二模拟数字转换器(3)连接有计算机数据处理系统(4)；

电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：将激励源输入至实际测试电路(1)的第一开关器件(7)；

步骤2：第一模拟数字转化器(2)和第二模拟数字转化器(3)分别采集实际测试电路中第一端口(6)的对地EMI信号U_a1和第二端口(9)的对地EMI信号U_a2，并将其传送至计算机数据处理系统(4)；

步骤3：计算机数据处理系统(4)处理传送过来的第一端口(6)的对地EMI信号U_a1和第二端口(9)的对地EMI信号U_a2，得到实际测试电路的差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模，实现实际测试电路的共差模EMI信号的分离；

步骤4：求取共模EMI信号U_a共模分频段的平均值，依次记为：x¹,x²,...,x³⁰；

步骤5：求取差模EMI信号U_a差模分频段的平均值，依次记为：y¹,y²,...,y³⁰；

步骤6：通过pspice仿真软件搭建仿真电路，其中包括第二开关器件(12)，即为电力电子开关器件IGBT高频模型，其包括如下寄生参数：基极-集电极间电容C_gc、基极-发射极间电容C_ge、集电极-发射极间电容C_ce、对地电容C_cg和C_eg、寄生电感L_r；

步骤7：结合实际测试电路的差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模，采用粒子群算法迭代优化步骤6中仿真电路的电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值；

步骤8，输出得到的电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的最优值。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，步骤3中实际测试电路的共差模EMI信号的分离的具体方法如下；

由于测量到的实际测试电路中第一端口处的对地EMI信号U_a1是对地共模EMI信号U_a共模与对地差模EMI信号U_a差模之和，如式(1)所示，测量到的实际测试电路中第二端口处的对地EMI信号U_a2是共模EMI信号U_a共模与差模EMI信号U_a差模之差，如式(2)所示，因此，可以得到：

U_a1＝U_a共模+U_a差模  (1)；

U_a2＝U_a共模-U_a差模  (2)；

通过式(1)和(2)可以计算出差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模，

因此，得到实际测试电路的差模EMI信号U_a差模和共模EMI信号U_a共模。

3.根据权利要求1所述的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，步骤4中求取共模EMI信号分频段的平均值的方法如下：将得到的实际测试电路的共模EMI信号U_a共模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取一个平均值，得到30组实际测试电路的共模EMI信号分频段值，依次记为x¹,x²,...,x³⁰。

4.根据权利要求1所述的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，步骤5中求取差模EMI信号分频段的平均值的方法如下：将实际测试电路的差模EMI信号U_a差模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取平均值作为一个值，得到30组实际测试电路的差模EMI信号分频段值，依次记为：y¹,y²,...,y³⁰。

5.根据权利要求1所述的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，步骤6中搭建的仿真电路包括第二直流电压源(10)，其正极连接有第二开关器件(12)，负极连接有第二负载(13)，在第二直流电压源(10)和第二开关器件(12)之间设置有第三端口(11)，在第二直流电压源(10)和第二负载(13)之间设置有第四端口(14)；第二开关器件(12)包括串联的基极-发射极寄生电容C_ge与基极-集电极寄生电容C_gc，基极-发射极寄生电容C_ge与基极-集电极寄生电容C_gc串联后与开关S、反向续流二极管D、集电极-发射极寄生电容C_ce并联，开关S的一端与发射极e相连，发射极e与负载相连；集电极-发射极寄生电容C_ce的一端与对地寄生电容C_cg相连，另一端与地寄生电容C_eg相连，反向续流二极管D的阴极与基极-集电极寄生电容C_gc相连，其阴极还依次连接有寄生电感L_r和集电极c，其阳极与基极-发射极寄生电容C_ge相连，基极g连接在基极-集电极寄生电容C_gc和基极-发射极寄生电容C_ge之间的连接导线上；

其中，开关S的参数为：关断阻值R_OFF＝4×10⁵V/A、开通阻值R_ON＝0.0055V/A、关断电压V_OFF＝-15V、开通电压V_ON＝15V；反向续流二极管D的参数为：二极管的反向饱和电流I_S＝3.18×10^-43A；最大集射级电压U_CES＝1200V；基极-集电极间电容C_gc、基极-发射极间电容C_ge、集电极-发射极间电容C_ce、对地电容C_cg和C_eg、寄生电感L_r的设置为随机值。

6.根据权利要求1所述的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，步骤7中采用粒子群算法迭代优化步骤6中仿真电路的电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值的具体过程如下：

7.1，将需要参与优化求解的自变量参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg进行粒子编码，编码如下式所示：

G＝[C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg]  (5)；

其中，G代表由各寄生参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg组成的粒子；

7.2，初始化粒子群：

粒子数目M取为100个，最大迭代次数为K，K＝25，惯量权重因子ω设置为0.4≤ω≤0.9，ω₁＝0.4，ω_K＝0.9，学习因子c₁＝c₂＝1.8，：

粒子i的初始位置X₁(i)如下式所示：

X₁(i)＝G(min)+(G(max)-G(min))×rand(1,1))  (6)；

根据实际测试电路的第一开关器件的型号，确定粒子的最大值G(max)与最小值G(min)；

粒子i的初始速度如下式所示：

V₁(i)＝V(max)×rand(1,1)  (7)；

V(max)的值取G(max)的值

其中，i表示粒子的数目，i＝1～100，rand(1,1)为0～1之间的随机数；

从初始化的100个粒子群中随机选取一个粒子作为初始的局部最优粒子，记为P₁，其值为个体极值，并将其作为全局最优粒子，记为G₁，其值为全局极值，将该粒子的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg值作为步骤6中仿真电路中C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，搭建新的仿真电路，计算该粒子的适应值，记为J_1(best)，也就是初始过程中全局最优粒子的适应值，记为F_1(best)，

7.3，优化参数C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg：

(1)更新粒子速度和位置：

V_k+1(i)＝w_k×V_k(i)+c₁×rand₁(1,1)×(P_k-X_k(i)+c₂×rand₂(1,1)×(G_k-X_k(i))  (8)；

X_k+1(i)＝X_k(i)+V_k+1(i))  (9)；

$w_{k+1}=w_1-\frac{w_1-w_K}{K}\×k---\left(10\right);$

其中：k表示当前迭代次数。

(2)将更新后的各粒子的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值分别作为步骤6中仿真电路中C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，搭建新的仿真电路，按照求取J_1(best)的方法计算各粒子的适应值J_k+1(i)；

(3)更新个体极值与全局极值：

将适应值J_k+1(i)最小的粒子作为此次迭代过程得到的局部最优粒子，其值为新的个体极值，该粒子的适应值记为J_k+1(best)，该局部最优粒子记为P_k+1；

将局部最优粒子P_k+1对应的J_k+1(best)与全局最优粒子G_k对应的适应值F_k(best)相比较，若J_k+1(best)>F_k(best)，则P_k+1替换G_k为此次迭代过程的全局最优粒子G_k+1，F_k+1(best)＝J_k+1(best)；反之，则G_k仍为此次迭代过程的全局最优粒子，记为G_k+1，F_k+1(best)＝F_k(best)；此次迭代过程的全局最优粒子G_k+1的值为新的全局极值；

7.4，重复步骤7.3，直至达到迭代次数K，终止迭代过程，得到全局最优粒子G_K+1，然后将全局最优粒子G_K+1的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值作为步骤6中仿真测试电路中C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，搭建新的仿真电路，并计算该粒子的适应值J_K+1，最后判断在迭代过程中全局最优粒子G_k的适应值是否满足至少连续10次小于0.000001，若满足，全局最优粒子G_K+1的C_gc,C_ge,C_ce,L_r,C_cg,C_eg的值，即为获取的最终电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数；若不满足，进入步骤7.5；

步骤7.5，改变总迭代次数为K_j，K_j＝K+jC，C为大于等于5的自然数，重复采用步骤7.1～7.4的方法，直至在迭代过程中全局最优粒子G_k(j)的适应值满足至少连续10次小于0.000001，最终得到的全局最优粒子的参数即为构建电力电子开关器件IGBT高频模型的最优参数。

7.根据权利要求6所述的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，步骤7.2中求解J_1(best)过程如下：

(1)，计算机数据处理系统(4)处理新的仿真电路第三端口(11)的对地EMI信号U_s1，第四端口(13)的对地EMI信号U_s2，得到新的仿真电路的差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模，实现仿真电路的共差模EMI信号的分离；

(2)，求取仿真电路共模EMI信号和差模EMI信号分频段的平均值，分别记为：m¹,m²,...,m³⁰，n¹,n²,...,n³⁰；

(3)，求取差模EMI信号与共模EMI信号相对误差：

将实际测试电路的30组实测差模EMI信号分频段值y¹,y²,...,y³⁰与新的仿真电路的30组差模EMI信号分频段值n¹,n²,...,n³⁰进行一一对应求取相对误差

将实际测试电路的30组实测共模EMI信号分频段值x¹,x²,...,x³⁰与新的仿真电路的30组共模EMI信号m¹,m²,...,m³⁰分频段值进行一一对应求取相对误差

其中，l＝1,2…，30；

(4)，计算该粒子的当前适应值J_1(best)：

8.根据权利要求7所述的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，步骤7.2中得到新的仿真电路的差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模的方法如下：

由于仿真电路中第一端口处的对地EMI信号U_s1是共模EMI信号U_s共模与差模EMI信号U_s差模之和，如式(14)所示；仿真测试电路中第二端口处对地EMI信号是共模EMI信号U_s共模与差模EMI信号U_s差模之差，如式(15)所示，因此，可以得到：

U_s1＝U_s共模+U_s差模  (14)；

U_s2＝U_s共模-U_s差模  (15)；

通过式(14和(15)可以计算出差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模，

因此，可以得到新的仿真电路的差模EMI信号U_s差模和共模EMI信号U_s共模。

9.根据权利要求7所述的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，步骤7.2中求取仿真电路共模EMI信号和差模EMI信号分频段的平均值的方法如下：

将得到的共模EMI信号U_s共模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取一个平均值，得到30组新的仿真电路的共模EMI信号分频段值，依次记为：m¹,m²,...,m³⁰；

将得到的差模EMI信号U_s差模在150kHz-1MHz之间取平均值，1MHz-30MHz之间每隔1MHz取平均值作为一个值，得到30组新的仿真电路的差模EMI信号分频段值，依次记为：n¹,n²,...,n³⁰。

10.根据权利要求1所述的一种电力电子开关器件IGBT高频模型寄生参数的获取方法，其特征在于，第一开关器件(7)采用德国SEMIKRON的SKM400GB123D型号的IGBT。