CN112183810B - 一种基于密勒平台效应的电磁干扰预测算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于密勒平台效应的电磁干扰预测算法，该模型能够在产品设计阶段，准确预测电磁干扰频谱包络线，且不需要复杂的测量步骤，避免了由于产品不能满足电磁干扰的标准，而带来巨大的经济损失，为电力电子设计工程师设计产品提供了方便。

Description

一种基于密勒平台效应的电磁干扰预测算法
技术领域
本发明属于电力电子电磁干扰研究领域，具体为一种基于密勒平台效应的电磁干扰预测算法。
背景技术
近年来，由于电力电子器件的快速发展，其快速的开通和关断过程带来了严重的电磁干扰问题。而且事实证明，基于宽带隙(WBG)的半导体开关器件，例如碳化硅(SiC)MOSFET和氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)，其性能优于最新的Si技术就低损耗和高温性能而言。它们被认为是汽车，航空航天和工业应用中高性能和高功率密度电机驱动器的关键促成因素。WBG设备的短开关转换通常5ns至20ns的范围内，可显着减少开关事件期间的能量损耗，但同时也引起人们对电磁干扰(EMI)增大的担忧。
一般来说，分析电磁干扰的方法主要是通过LISN网络进行测量。其中测量的电磁干扰可以分成共模(CM)和差模(DM)两类。然而，测量的过程非常繁琐和复杂，而且一旦产品不能满足电磁干扰的标准，这会带来巨大的经济损失。因此，在产品设计阶段预测电磁干扰的产生变得非常重要。在传统的预测方法中，都是根据系统中的电流来进行预测，计算或仿真每一种拓扑的电流也需要耗费很长的时间。
发明内容
为克服上述缺点，本发明提出了一种考虑了密勒平台效应，计算精度高，模型更加真实，符合实际情况的的等效驱动电压波形及其电磁干扰频谱包络线预测算法。
本发明一种基于密勒平台效应的电磁干扰预测算法，包括如下步骤：
步骤1，根据器件开通过程初始状态，栅极驱动电路通过驱动电阻R对栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd充电，直到栅极电压达到其阈值电压Vth。在此过程中Cgs和Cgd并联充电。计算栅极电压达到密勒平台电压的时间。
步骤2，当栅源电压VGS(pl)受密勒电容影响而保持恒定时，驱动电流流向Cgd而非Cgs充电。计算在此期间Cgd(Qdg)中积累的电荷数Qdg以及密勒平台时间
步骤3，开通瞬态消失，栅极充电达到过饱和状态。驱动电流对Cgd和Cgs充电，直到栅极电压VGS达到栅极供电电压。计算后密勒平台上升时间。
tr3＝td(on)+tr-tr1-tr2 (4)
步骤4，计算驱动电压的频谱表达式：
步骤5，根据谐波次数的不同，将频谱划分为高频、中高频、中频、低频四种不同的频段，分别计算频谱包络线的表达式。
在高频范围内，即对于比较大的谐波次数n， 等于-1，频谱包络线的表达式为：
当n减小时，2nπtr1/T、2nπtr2/T、2nπtr3/T、2nπtf1/T、2nπtf2/T、2nπtf3/T将会小于π而且会逐渐接近于0，因此为-1，/>为-j,得到中高频范围的频谱包络线表达式：
当n继续减小时，2nπtf1/T、2nπtf2/T、2nπtf3/T接近于0，等于-1，得到中低频的频谱包络线表达式：
在低频范围内，即当n等于1时，最大振幅受开关频率fs分量的限制，得到低频范围的频谱包络线表达式：
进一步，基于步骤5的简化分析，本发明一种基于密勒平台效应的电磁干扰频谱包络线预测算法如下：
其中，
V为驱动电压最大幅值、Vpl为米勒平台电压，fs为开关频率，f为频率，tr1、tr3、tr2分别对应器件开通过程中的上升时间和开通过程的米勒平台时间；tf1、tf3、tf2分别对应器件关断时的下降时间和关断时的米勒平台时间。fc1、fc2、fc3分别表示第一、第二、第三转角频率。
tf3＝td(off)+tf-tf1-tf2 (7)
其中，Cgs为栅源电容，Cgd为栅漏电容，Cds为漏源电容，RG为驱动电阻，RDS(on)为漏源电阻，Qdg为在米勒平台期间Cgd中积累的电荷数，td(on)为导通延迟时间，td(off)为关断延迟时间，tr为导通时间，tf为关断时间。
与现有技术相比，本发明具有以下效益的技术结果：
本发明能够根据器件手册准确预测电力电子器件在开关过程中产生的电磁干扰频谱包络线，不需要繁琐和复杂的测试过程。而且，在产品设计阶段，预测电磁干扰，也避免了由于产品不能满足电磁干扰的标准，而带来巨大的经济损失，为电力电子设计工程师提供了考虑米勒平台效应的电磁干扰预测的精确的解析模型。
附图说明
图1为本发明的电磁干扰模型算法流程。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供一种针对器件实际开关过程的电磁干扰预测算法，为电路设计在考虑电磁干扰大小是否符合标准时，提供了一种考虑米勒平台效应的电磁干扰的解析模型。
以下通过对本发明提供的算法作详细的说明，并给出了建立模型的具体方案步骤和实现流程。但是其内容并不限制本发明的保护范围。
步骤1.根据器件开通过程初始状态，栅极驱动电路通过驱动电阻R对栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd充电，直到栅极电压达到其阈值电压Vth。在此过程中Cgs和Cgd并联充电。计算栅极电压达到密勒平台电压的时间。
步骤2.当栅源电压VGS(pl)受密勒电容影响而保持恒定时，驱动电流流向Cgd而非Cgs充电。计算在此期间Cgd(Qdg)中积累的电荷数Qdg以及密勒平台时间
步骤3.开通瞬态消失，栅极充电达到过饱和状态。驱动电流对Cgd和Cgs充电，直到栅极电压VGS达到栅极供电电压。计算后密勒平台上升时间。
tr3＝td(on)+tr-tr1-tr2 (4)
同理关断过程中的各时间参数如下：
tf3＝td(off)+tf-tf1-tf2 (7)
根据以上步骤得到如图1所示的器件开关过程中对应的时域解析表达式，如下所示：
其中，A为时间常数，其表达式如下：
步骤4，计算本发明的考虑米勒平台效应的电磁干扰预测算法：
将表达式S(w)分成和/>两部分，/>部分的和S(ω)1如下：
由于，S(ω)1为0，原式可化简为下式：
其中，T表示驱动电压的周期，w表示角频率。且w与T可表示为：
其中，n为谐波阶数，n可表示为：
综上，考虑米勒平台效应的电磁干扰预测解析模型的解析表达式可进一步化简为下式：
在电磁干扰测试中，只有噪声频谱的上包络线是重要的。因此，有必要得到解析表达式中随着n变化的最大值S(n)。因此，对上式进一步化简：
步骤5.根据谐波次数的不同，将频谱划分为高频、中高频、中频、低频四种不同的频段，分别计算频谱包络线的表达式。
在高频范围内，即对于比较大的谐波次数n， 等于-1，频谱包络线的表达式为：
当n减小时，2nπtr1/T、2nπtr2/T、2nπtr3/T、2nπtf1/T、2nπtf2/T、2nπtf3/T将会小于π而且会逐渐接近于0，因此为-1，/>为-j,得到中高频范围的频谱包络线表达式：
由此，确定在高频范围和中高频上部范围之间的第一转角频率fc1：
S1(fc1)＝S2(fc1) (19)
因此，
当n继续减小时，2nπtf1/T、2nπtf2/T、2nπtf3/T接近于0，等于-1，得到中低频的频谱包络线表达式：
计算中频范围和中低频范围的第二个角频率fc2为：
在低频范围内，即当n等于1时，最大振幅受开关频率fs分量的限制，得到低频范围的频谱包络线表达式：
得到中低频和低频范围的第三个转角频率频率fc3为：
综上所述，一种基于密勒平台效应的电磁干扰频谱包络线预测算法公式如下所示：
本发明属于电力电子电磁干扰预测研究领域，发明了一种基于密勒平台效应的电磁干扰预测算法。该模型能够在产品设计阶段，准确预测电磁干扰频谱包络线，且不需要复杂的测量步骤，避免了由于产品不能满足电磁干扰的标准，而带来巨大的经济损失，为电力电子设计工程师设计产品提供了方便。

Claims (1)

1.一种基于密勒平台效应的电磁干扰预测算法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据器件开通过程初始状态，栅极驱动电路通过驱动电阻R对栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd充电，直到栅极电压达到其阈值电压Vth，在此过程中Cgs和Cgd并联充电，计算栅极电压达到密勒平台电压的时间；
步骤2，当栅源电压VGS(pl)受密勒电容影响而保持恒定时，驱动电流流向Cgd而非Cgs充电，计算在此期间Cgd中积累的电荷数Qdg以及密勒平台时间
步骤3，开通瞬态消失，栅极充电达到过饱和状态；驱动电流对Cgd和Cgs充电，直到栅极电压VGS达到栅极供电电压，计算后密勒平台上升时间；
tr3＝td(on)+tr-tr1-tr2 (4)
步骤4，计算驱动电压的频谱表达式：
步骤5，根据谐波次数的不同，将频谱划分为高频、中高频、中频、低频四种不同的频段，分别计算频谱包络线的表达式；
在高频范围内，即对于比较大的谐波次数n， 等于-1，频谱包络线的表达式为：
当n减小时，2nπtr1/T、2nπtr2/T、2nπtr3/T、2nπtf1/T、2nπtf2/T、2nπtf3/T将会小于π而且会逐渐接近于0，因此为-1，/>为-j,得到中高频范围的频谱包络线表达式：
当n继续减小时，2nπtf1/T、2nπtf2/T、2nπtf3/T接近于0，
等于-1，得到中低频的频谱包络线表达式：
在低频范围内，即当n等于1时，最大振幅受开关频率fs分量的限制，得到低频范围的频谱包络线表达式：
进一步，基于步骤5的简化分析，本发明一种基于密勒平台效应的电磁干扰频谱包络线预测算法如下：
其中，
V为驱动电压最大幅值、Vpl为米勒平台电压，fs为开关频率，f为频率，tr1、tr3、tr2分别对应器件开通过程中的上升时间和开通过程的米勒平台时间；tf1、tf3、tf2分别对应器件关断时的下降时间和关断时的米勒平台时间，fc1、fc2、fc3分别表示第一、第二、第三转角频率；
tf3＝td(off)+tf-tf1-tf2 (7)
其中，Cgs为栅源电容，Cgd为栅漏电容，Cds为漏源电容，RG为驱动电阻，RDS(on)为漏源电阻，Qdg为在米勒平台期间Cgd中积累的电荷数，td(on)为导通延迟时间，td(off)为关断延迟时间，tr为导通时间，tf为关断时间。
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