CN113468835B

CN113468835B - 一种buck斩波器电磁干扰预测软件

Info

Publication number: CN113468835B
Application number: CN202110687431.XA
Authority: CN
Inventors: 曹海洋; 姜来
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2023-09-26
Anticipated expiration: 2041-06-21
Also published as: CN113468835A

Abstract

本发明公开了一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件，基于巨变灵敏度的思想对BUCK斩波器电路寄生参数做出简化；使用Simulink搭建仿真模型表达简化后的斩波电路；使用MATLAB软件的GUI和Simulink模块进行数据交互和数据处理，获取多种情况下的电路仿真结果；该预测软件有着全面的功能，方便研发，设计及生产人员快速掌握电路大致的共模干扰时域波形和频谱图，即使是不同的开关器件控制信号，不同的电路性能指标(输出电压幅值，开关器件动作的边沿陡度等)，都可以进行共模干扰预测。为斩波器的产品生产设计与干扰测试等方面提供便利。

Description

一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件

技术领域

本发明具体是指一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件。

背景技术

如今电磁干扰问题日益受到关注而具有高频率开关器件的斩波器亟需方便而准确的电磁干扰预测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述技术的缺陷，提供：

一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件，

通过互锁的单选按钮选择确定干扰源模型相对应的仿真干扰模型；

根据选择的仿真干扰模型获取仿真文件；

若仿真文件获取失败，则报错，程序终止；

若仿真文件获取成功，则加载文件预运行；通过输入分别对应仿真干扰模型中元件数据的寄生参数，确定传导路径，用于区别不同型号的斩波器；

设置上一步骤中对应斩波器的电路性能指标数据，所述电路性能指标数据对应不同仿真干扰模型呈现不同的参数；

判定输入的电路性能指标数据是否满足对应仿真干扰模型的一般规律，若不符合，则数据不正常，执行重新输入；

若符合，则数据正常，通过set_param函数对应写入仿真文件并运行仿真；

通过仿真结果中目标斩波器的共模干扰幅值、最大值以及谐振点，显示所预测的共模干扰电压的时域以及频域图像；

若需更改数据多次实验，则执行重新输入，若需结束程序，则执行终止程序。

作为改进，所述仿真干扰模型有三种，包括方波、可更改占空比的脉宽调制波PWM波以及更改边沿陡度的梯形波；所述仿真干扰模型由基本电路元件以及控制信号组成；所述基本电路元件包括电阻、电感、电容以及理想电压源；所述理想电压源用于模拟实际干扰源，即由斩波电路中的开关器件IGBT控制的电路输出端；所述控制信号波形通过信号发生模块搭建。

作为改进，所述寄生参数包括R、L、C，其中，R代表阻抗稳定网络的电阻，L代表正负母线电感并联值，C代表IGBT对地寄生电容。

作为改进，所述正负母线电感并联值L的计算公式为：

式中，l为长度，w为宽度，t为高度。

作为改进，所述IGBT对地寄生电容C的计算公式为：

C＝ε₀ε_γA/d，

式中，A为表面积，d为宽度。

作为改进，在所述方波控制下的仿真干扰模型中，采用方波发生器Signalgenerator控制电压源；可调的所述电路性能指标数据包括电压幅值以及波形频率，IGBT边沿陡度恒为无穷大。

作为改进，在所述PWM波控制下的仿真干扰模型中，在波形周期不便的情况下，改变开通时间；PWM控制信号由三角载波和定常模块Constant进行调制，通过二者比较，对电压源输出控制信号；通过改变定常模块的幅值，实现改变电压源的输出波形占空比；将输出电压幅值与比较单元输出结果进行乘运算，即可更改干扰源的输出幅值；可调的所述电路性能指标数据包括电压幅值、频率以及占空比，用于研究电路开关器件控制信号占空比对共模干扰电压的影响。

作为改进，在所述梯形波控制下的仿真干扰模型中，通过循环序列模块RepeatingSequence完成波形的发生，并实现修改上升沿或下降沿陡度；可调的所述电路性能指标数据包括电压幅值、波形频率以及IGBT边沿陡度。

作为改进，通过仿真干扰模型的LISN电阻上共模电压的测量仪表和系统时钟得到所述时域信号的数据；所述频域数据由时域信号通过傅里叶变换处理得到。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明基于MATLAB的Simulink仿真模块和GUIDE图像界面模块，有效地将电磁干扰路径和干扰源模型与实际斩波电路建模结合起来，实现了针对不同型号BUCK斩波器，多种干扰类型进行预测，并且电路性能参数可调。基于所绘制的共模电压干扰频谱图，使用户可以直观的了解目标斩波器的共模干扰幅值、极大值和谐振点等重要信息。

附图说明

图1是本发明一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件的流程图。

图2是本发明一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件中斩波器的仿真模型。

图3是本发明一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件中的GUI界面。

图4是本发明一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件中的Simulink界面。

图5是电压源方波控制信号运行情况。

图6是电压源PWM波控制信号运行情况。

图7是电压源梯形波控制信号运行情况。

图8是方波频谱预测波形。

图9是实物实验共模电压频谱。

图10是幅值电压频谱比较。

具体实施方式

下面结合附图对一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件做进一步的详细说明。

结合附图，图1～10，一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件，

根据选择的仿真干扰模型获取仿真文件；

若仿真文件获取失败，则报错，程序终止；

设置上一步骤中对应斩波器的电路性能指标数据，电路性能指标数据对应不同仿真干扰模型呈现不同的参数；

本实施例中，仿真干扰模型有三种，包括方波、可更改占空比的脉宽调制波PWM波以及更改边沿陡度的梯形波；仿真干扰模型由基本电路元件以及控制信号组成；基本电路元件包括电阻、电感、电容以及理想电压源；理想电压源用于模拟实际干扰源，即由斩波电路中的开关器件IGBT控制的电路输出端；控制信号波形通过信号发生模块搭建。

本实施例中，寄生参数包括R、L、C，其中，R代表阻抗稳定网络的电阻，L代表正负母线电感并联值，C代表IGBT对地寄生电容。

本实施例中，正负母线电感并联值L的计算公式为：

式中，l为长度，w为宽度，t为高度。

本实施例中，IGBT对地寄生电容C的计算公式为：

C＝ε₀ε_γA/d，

式中，A为表面积，d为宽度。

本实施例中，在方波控制下的仿真干扰模型中，采用方波发生器Signalgenerator控制电压源；可调的电路性能指标数据包括电压幅值以及波形频率，IGBT边沿陡度恒为无穷大。

本实施例中，在PWM波控制下的仿真干扰模型中，在波形周期不便的情况下，改变开通时间；PWM控制信号由三角载波和定常模块Constant进行调制，通过二者比较，对电压源输出控制信号；通过改变定常模块的幅值，实现改变电压源的输出波形占空比；将输出电压幅值与比较单元输出结果进行乘运算，即可更改干扰源的输出幅值；可调的电路性能指标数据包括电压幅值、频率以及占空比，用于研究电路开关器件控制信号占空比对共模干扰电压的影响。

本实施例中，在梯形波控制下的仿真干扰模型中，通过循环序列模块RepeatingSequence完成波形的发生，并实现修改上升沿或下降沿陡度；可调的电路性能指标数据包括电压幅值、波形频率以及IGBT边沿陡度。

本实施例中，通过仿真干扰模型的LISN电阻上共模电压的测量仪表和系统时钟得到时域信号的数据；频域数据由时域信号通过傅里叶变换处理得到。

本发明中软件的执行方式说明：确保电脑中有MATLAB软件，将ZIP包解压后，修改.bat文件中文件路径为当前文件的路径，双击“运行matlabGUI.bat”文件运行软件。

本发明中软件的使用说明：

1)用户选择软件干扰源类型，分三种情况：如所研究的电路占空比不变，选择方波信号即可，如所研究电路占空比改变，选择PWM波形，如需要研究频段高于10MHz的高频信号，选择梯形波。选择完毕点击确认设置按钮，软件会将对应干扰模型载入工作空间。注意：干扰源类型选择完毕不允许修改，

2)用户在斩波电路电磁干扰预测软件的GUI界面修改干扰路径参数，R：阻抗稳定网络的电阻，L:正负母线电感并联值，C:IGBT对地寄生电容，软件将储存参数。

3)填写斩波器性能参数，根据所选择干扰类型的不同，此模块略有差异。如选择方波，仅有电压幅值，波形频率可调，IGBT边沿陡度恒为无穷大；如选择PWM波，有电压幅值，频率和占空比可调，用于研究电路开关器件控制信号占空比对共模干扰电压的影响；如选择梯形波，有电压幅值，波形频率和IGBT边沿陡度可调，不过频率和陡度的设置需满足客观规律，如IGBT边沿斜率参数远低于开关频率，可能出现时域波形周期小于上升沿所需时间的极端情况，界面将抛出异常并提示用户重新输入。

4)如需隐藏斩波器参数面板，可点击完成按钮。如需唤出面板，点击设置斩波器参数按钮。

5)如完成全部设置，点击运行按钮，软件将分别在上下两个轴控件显示时域和频域波形。PWM方式下预测软件中可明确获得电路共模电磁干扰的幅值，随频率变化趋势等信息。

本发明中预测软件由MATLAB工具开发，同时运行GUIDE和Simulink。程序执行的流程概况如下：

首先，由于IGBT的控制信号不同，干扰源模型也不相同，因此仿真电路也不相同。所以首先在GUI界面下对所需的干扰源进行选择；其次，在GUI界面根据选择确定运行的Simulink仿真模型；然后从GUI界面中接收所需修改的各个参数如寄生参数，电压幅值等，并通过set_param函数对应修改仿真模型的参数；最后，运行仿真模型，从Simulink模型中同时获取时间和干扰电压的输出幅值，将二者存储至GUI的工作空间中进行绘图和显示。本发明的软件流程图如图1所示。

GUI界面如图3所示，本界面主要可分割为三个部分，分别是显示部分，数据输入部分和控制部分。GUI界面分别使用了图像轴、按钮、单选按钮、面板、可编辑文本和静态文本等控件。

GUI数据输入部分按照所支持的功能不同，可分为三块输入区间，用户需按照自身需求对各输入控件的参数进行设置。第一，寄生参数输入区域：R、L、C参数输入分别对应Simulink仿真模型中的元件数据，用于确定传导路径，区别不同型号的斩波器；第二，干扰源模型选择区域：使用互锁的单选按钮分别表示不同的Simulink仿真文件，有方波，可更改占空比的脉宽调制波和更改边沿陡度的梯形波三种干扰模型可供选择，其中梯形波干扰源模型适用于所研究的干扰频段高于10MHz的情况；第三，电路性能指标设置区域：多个嵌入面板中的可编辑文本框，对应斩波器的输出电压幅值、开关频率和边沿陡度等性能指标，对应不同的干扰模型呈现不同的参数。

GUI控制部分完成数据处理和人机交互等功能，包括多个按钮控件，其作用分别是确认参数更改，显示隐藏部分输入区域和控制软件的运行等。GUI的按钮控件往往使用回调函数实现控制功能。例如，“参数确认”按钮的回调函数自动将GUI界面数据保存到内部变量中，并且通过全局变量将数据传递到每个按钮控件中。“运行”按钮回调函数会将每个文本框的tag标签获取到的控件的数据，写入仿真模型的对应元件中，完成模型运行和数据处理。

GUI显示部分由上下两个图像轴组成，用于分别对时域，频域的波形进行显示。其中，时域信号的数据来自于仿真模型的LISN电阻上共模电压的测量仪表和系统时钟，频域数据由时域信号通过傅里叶变换处理得到。根据频域信号特征，在EMC中将竖轴设置为分贝形式横轴设置为对数形式。

为使GUI软件的过程中才可能有不同的干扰源类型可供选择，仿真界面需要各搭建出不同的干扰源仿真模型。所以考虑分别搭建电压源信号端为方波，PWM波和梯形波的Simulink模型。仿真模型由基本电路元件和控制信号组成。仿真模型基本电路元件的搭建依据图2斩波器仿真模型，利用巨变灵敏度的思想简化而成，各模型基本电路元件相同。控制信号波形通过信号发生模块搭建，现详述如下。

基本电路元件由电阻、电感、电容元件和理想电压源组成，电路元件模拟实际电磁兼容的干扰路径，模拟干扰耦合路径中的寄生参数。电压源的作用是模拟实际干扰源，也就是由斩波电路中的开关器件IGBT控制的电路输出端。电阻实际上模拟检测电路中阻抗稳定网络LISN，起接收电磁干扰能量的作用，所以可通过测量电阻两端电压获取共模干扰电压，再应用输出模块(output sinkblock)输出数据。

图4表示PWM调制情况下的界面，仿真电路的控制信号为PWM波，目的是改变占空比，研究干扰源的控制信号占空比对电磁干扰的影响。斩波器PWM控制原理是在波形周期不变的情况下，改变开通时间。在预测软件中，PWM控制信号由三角载波和定常模块Constant进行调制，通过二者比较，对电压源输出控制信号。通过改变定常模块的幅值，实现改变电压源的输出波形占空比。将输出电压幅值与比较单元输出结果进行乘运算，即可更改干扰源的输出幅值。

斩波器方波控制信号下的干扰源模型，由于不需要改变占空比，直接使用方波发生器Signal generator控制电压源。梯形波或需要修改上升沿/下降沿陡度，而Simulink中没有直接完成此波形的发生模块，所以考虑循环序列模块(Repeating Sequence)。

本发明中，先由仿真模型获得时域波形，再通过傅里叶变换公式，由时域图形计算得出对应的频域图形，最后集中显示到GUI界面中。

MATLAB支持通过函数控制仿真状态的功能，可以加载和保存仿真模型，设置仿真选项为从当前工作空间运行，应用sim函数运行指定的仿真模型，通过设置仿真命令参数以停止仿真模型，从而达到从当前工作空间控制仿真模型的运行和停止的目的。

load_system(handles_open_model)；

options＝simset('SrcWorkspace','current')；

sim(handles_open_model,[],options)；

set_param(handles_open_model,'SimulationCommand','stop')

save_system(handles_open_model)；

为了在GUI中直接调用仿真得到的输出数据，需要保存仿真输出数据至工作空间。在Simulink中搭仿真模型如图4所示。输出时钟数据由仿真模型自动生成，时域共模干扰幅值通过测量LISN电阻的两端电压获得。

将测量电压接入输出模块，设置model configurationparameters-data input/output，将输出时钟tout和输出幅值yout选中，设置合适的采样点数以保证精度。可以发现MATLAB的工作区界面中出现tout和yout参数，说明将获取的时域仿真数据加载至工作空间的操作已完成。

为了获取频域波形，需要实现傅里叶变换，将工作空间中时域数据变换为频谱图并显示图像结果。我们可以经简单计算获取采样时间和各个点的频率作为频谱图的横轴，使用fft函数对输出幅值进行快速傅里叶变换，再将结果以10为底数取对数作为纵轴。

为了显示图像，需要先使用GUI模块自带的axes函数指定承载此图像的轴控件，然后可以正常调用绘图函数实现图像显示。为扩大频谱显示范围，需将输出的频域轴改为对数坐标，使用figure函数弹出图像窗口，在属性编辑器中修改横轴刻度为对数，横轴范围为10⁵-10⁸。

n＝length(tout)；％n采样时间，数据点

f＝(1:n)*100000000/n；％第n点的频率，100000000为采样频率。

y＝fft(yout)；％傅里叶变换

mag＝abs(y)；％振幅

yy＝20*log10(mag)+60；

axes(handles.axes3)

figure('Name','共模频谱图')；

plot(f(1:n/2),yy(1:n/2))

仿真模型中的R、L、C元件参数从仿真最简电路图中得来。外部不可控的环境因素，电子器件的材料工艺都可能影响电磁兼容电路的寄生参数。所以，用户通过修改相关的参数，使之适配当前测试环境下待测斩波器参数的功能必不可少。

本软件所需完成的功能是，实际操作中，在GUI界面中R、L、C元件参数文本框对应填入经过实测获取的斩波器参数后，可以自动修改对应的仿真模型的元件参数，输出正确的时域频域波形。以LISN电阻为例，代码实现如下：

设置GUI控件的初始值

R_init＝'25'；

set(handles.edit2,'String',R_init)；

获取GUI界面的文本控件参数

R＝get(handles.edit2,'String')；

命令行获取目标元件参数名

find_system('diancimodel','Type','BLOCK')

get_param('diancimodel/ParallelRLCBranch','DialogParameters')

设置仿真模型的元件参数

set_param('diancimodel/ParallelRLCBranch','Resistance',R)

开发干扰源类型设置的思路是，先根据干扰源类型建立不同的仿真模型，再通过GUI界面获取用户的选择，最后对所选择的干扰源进行元件参数修改和仿真，获取频谱结果。通过干扰源类型选择对应的仿真电路，是这项功能的关键。代码实现如下：

添加三个单选框，分别加入互锁功能。

function radiobutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)

set(handles.radiobutton1,'value',1)；

set(handles.radiobutton2,'value',0)；

set(handles.radiobutton3,'value',0)；

定义仿真模型的全局变量，根据单选框的值判断所运行的模型。

使用全局变量控制仿真的运行和停止。

在修改仿真模型参数之前，使用if语句进行模型判断，修改所选模型的元件参数。

设置方波干扰电压源输出幅值和频率：

斩波电路的输出幅值决定了共模干扰电压幅值，所以除了研究电路参数对传导干扰的影响外，还需要考虑电路输出电压幅值。与修改R、L、C等参数类似，对斩波电路输出幅值的修改同样需要对应修改仿真模型中元件的参数。由于Simulink的受控电压源模块(ControlledVoltage Source)的输出波形完全与控制端波形相同，因此考虑在波形输入控制端前，使用product模块提升幅值。可以通过修改该模块的参数达到控制输出电压幅值的目的。代码实现与修改寄生参数的方法类似，通过get函数获取控件输入，set_param函数设置元件参数。

V＝get(handles.edit9,'String')；

set_param('diancimodel/Constant','Value',V)；

Sequence_signal_F＝get(handles.edit10,'String')；

carrier_f＝get(handles.edit10,'String')；

电压源控制信号为方波的运行情况如图5所示。

设置PWM波干扰电压源占空比：

改变占空比的功能通过改变与三角载波比较的常数模块的大小而实现的，取常数波形大于三角载波时，电压源有输出，则占空比随常数波形而增大。

应用滑块控件表示占空比，设置占空比的范围为1-0将滑块与文本框链接，在滑块回调函数中写入代码

input＝get(hObject,'Value')；

set(handles.edit12,'String',num2str(input))；

由于PWM仿真模型中，将三角载波信号上移到零刻度以上，所以常数模块的值实际范围是0-2，与占空比的对应关系为2：1，软件中需对数据做倍数处理

ratechu2＝get(handles.edit12,'String')；

rate＝num2str(str2double(ratechu2)*2)；

set_param('diancimodel/Constant2','Value',rate)

电压源控制信号为PWM波的运行情况如图6所示。

设置梯形波干扰电压源边沿陡度和频率：

在研究信号频段大于10MHz的情况时，由于需要考虑开关暂态干扰，斩波电路的干扰时域波形可以考虑近似为梯形波。在此情况下，用户需要针对自身需求调整斩波电路开关器件的开关速度和边沿陡度等参数。

Simulink模型中使用循环序列模块，合理设置时间轴和参数轴以表示梯形波。找出边沿斜率和频率与模块中时间参数的对应关系，在获取GUI控件的输入后，计算出模块参数并传递给仿真元件。

值得注意的是，如果IGBT边沿斜率参数远低于开关频率，可能出现时域波形周期小于上升沿所需时间的极端情况，界面将抛出异常和重新输入提示。

电压源控制信号为梯形波的运行情况如图7所示。

本发明中的预测结果对比与分析：

利用本软件使用的仿真电路，进行最简化模型的实物实验工作，实例中直流源大小，IGBT控制信号频率，RLC电路参数分别为，U_dc＝185，f＝185Hz，R₁/2＝25Ω，L_2//3＝1.724μH，C_mp＝800pF。

干扰源控制方式为PWM波，在占空比为50％情况下，与以干扰源控制方式方波的电压频谱相同，对实验图进行比较。为保证本次仿真结果的清晰准确，图像绘制需进行必要的设置。本次软件预测结果使用MATLAB软件自带的绘图编辑功能，将软件时域仿真结果的时间轴进行时频域转换，改为对数刻度，同时将预测信号频道区间与仿真图像的频谱区间进行同样的设置。得出软件预测图像如图8所示，经实验给出的共模频谱如图9所示。

对比实验结果，发现软件预测结果与实例的实验图像的幅值和波形包络非常贴合，然而两个图像的横轴略有差异，干扰电压的极大值与极小值出现的频率位置不同。或由于傅里叶变换算法差异导致的系统误差导致。总体来说，本次实验结果对比符合预期。预测软件的科学性和准确性得到了证明，同时也间接证明了灵敏度简化思路的正确性。

以方波干扰源方式下为例，将电路输出电压幅值分别设置为15，150和1500V，当电压输出幅值升高10倍，电流共模干扰电压升高量大于10倍，所以预期电压频谱幅值升高量大于20V，而对图像包络影响不大。各幅值电压频谱对比如图10所示，各图像干扰幅值各增大20以上，与预期理论相符。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件，其特征在于：

所述仿真干扰模型有三种，包括方波、可更改占空比的脉宽调制波PWM波以及更改边沿陡度的梯形波；所述仿真干扰模型由基本电路元件以及控制信号组成；所述基本电路元件包括电阻、电感、电容以及理想电压源；所述理想电压源用于模拟实际干扰源，即由斩波电路中的开关器件IGBT控制的电路输出端；所述控制信号波形通过信号发生模块搭建；

在所述方波控制下的仿真干扰模型中，采用方波发生器Signal generator控制电压源；可调的电路性能指标数据包括电压幅值以及波形频率，IGBT边沿陡度恒为无穷大；

在所述PWM波控制下的仿真干扰模型中，在波形周期不便的情况下，改变开通时间；PWM控制信号由三角载波和定常模块Constant进行调制，通过二者比较，对电压源输出控制信号；通过改变定常模块的幅值，实现改变电压源的输出波形占空比；将输出电压幅值与比较单元输出结果进行乘运算，即可更改干扰源的输出幅值；可调的所述电路性能指标数据包括电压幅值、频率以及占空比，用于研究电路开关器件控制信号占空比对共模干扰电压的影响；

在所述梯形波控制下的仿真干扰模型中，通过循环序列模块Repeating Sequence完成波形的发生，并实现修改上升沿或下降沿陡度；可调的所述电路性能指标数据包括电压幅值、波形频率以及IGBT边沿陡度；

根据选择的仿真干扰模型获取仿真文件；

若仿真文件获取失败，则报错，程序终止；

2.根据权利要求1所述的一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件，其特征在于：所述寄生参数包括R、L、C，其中，R代表阻抗稳定网络的电阻，L代表正负母线电感并联值，C代表IGBT对地寄生电容。

3.根据权利要求2所述的一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件，其特征在于：所述正负母线电感并联值L的计算公式为：

式中，l为长度，w为宽度，t为高度。

4.根据权利要求3所述的一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件，其特征在于：所述IGBT对地寄生电容C的计算公式为：

C＝ε₀εγA/d，

式中，A为表面积，d为宽度。

5.根据权利要求1所述的一种BUCK斩波器电磁干扰预测软件，其特征在于：通过仿真干扰模型的LISN电阻上共模电压的测量仪表和系统时钟得到时域信号的数据，时域信号通过傅里叶变换处理可得到频域数据。