CN116306438A - 基于碳化硅功率变换器系统cm-emi建模方法及其系统、设备 - Google Patents

基于碳化硅功率变换器系统cm-emi建模方法及其系统、设备 Download PDF

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CN116306438A CN202310163455.4A CN202310163455A CN116306438A CN 116306438 A CN116306438 A CN 116306438A CN 202310163455 A CN202310163455 A CN 202310163455A CN 116306438 A CN116306438 A CN 116306438A
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Abstract

发明公开了一种基于碳化硅功率变换器系统CM‑EMI建模方法及其系统、设备，包括以下步骤：步骤S1、对EMI噪声源进行定义并分析CM传导路径；步骤S2、对EMI噪声源和噪声传导路径进行等效并得到基于碳化硅功率变换器系统CM‑EMI模型的共模电流求解式；步骤S3、在基于碳化硅功率变换器系统CM‑EMI模型接入两组阻抗分别得到等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ；步骤S4、搭建传导EMI的测试平台得到共模电流预测值；步骤S5、将共模电流测试值与共模电流预测值进行对比，若一致则模型预测准确，若不一致，则返回步骤S2‑S4，直至共模电流测试值与共模电流预测值一致。本发明预测方法准确性较高，预测值与测试值对比误差较小。

Description

基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法及其系统、设备
技术领域
本发明属于功率变换器系统建模技术领域，具体涉及一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法及其系统、设备。
背景技术
随着宽带隙(WBG)半导体器件，如碳化硅、氮化镓器件的应用，开关电源变换器可以在更高的开关频率下运行，这使得功率密度得到了大幅增加。而且，由于宽带隙半导体器件在稳态导通时间内的导通电阻相对较低，开关损耗也会减少，变换器的转换效率也得到了显著提高。然而，基于宽带隙的开关式功率转换器会产生电磁干扰(EMI)噪声，这是因为开关频率较快，dv/dt和di/dt的回转率较高，会导致低压电子产品和敏感数字电路受到干扰。为了降低EMI水平并满足EMI标准，在设计阶段就应考虑到EMI的限制。然而，在电磁兼容性(EMC)实验中，EMI噪声需要用高精度的EMI接收机来测量。使用这种传统方法评估EMI，不仅受到实验环境和测试设备的限制，而且测试过程也很耗时和复杂。因此，获得基于碳化硅器件的开关变换器的高频行为模型来分析EMI噪声的产生及其传播路径是非常重要和必要的，这为EMC工程师提供了一个准确的EMI预测方法。目前，对功率变换器系统的EMI建模方法主要分为集总式电路模型和行为模型两类。
集总式电路模型包括以下三类：第一，基于半导体器件的物理模型，建立了具有电路中所有相关寄生参数的块状电路模型，这些模型可以在仿真软件工具中实现，以预测时域和频域的EMI；第二，共模(CM)和差模(DM)的EMI噪声由去耦模式的模型来模拟，基于两端的Thevenin或Norton等效。第三，通过针对功率转换器中噪声源的非线性块状电路模型，模拟IGBT的EMI行为模型，同时为了提高预测精度，无源元件被添加到包络电路模型中，如电缆和电机的宽带EMI模型，电感之间的近场电磁耦合，印刷电路板布局的寄生参数，电感和变压器的非线性行为，以及其他EMI现象。但是，集总式电路模型主要存在以下问题：第一，传统的集总电路模型是由CM源和CM阻抗组成的，这并不能准确描述系统中具体的EMI噪声源；第二，功率半导体器件的开关特性和EMI噪声源之间的关系不能仅通过集总EMI模型获得。
行为模型主要包括以下五类：第一，在三端Thevenin等效模型的基础上，使用了改进的三端Norton等效电路来模拟功率转换器；第二，针对三相逆变器系统所提出的一种新的混合模式EMI噪声建模方法；第三，用于研究电力电子系统中耦合共模/差模行为的Thevenin等效电路模型；第四，用于直流馈电三相电机驱动系统EMI噪声预测的EMI行为模型；第五，针对低开关频率功率逆变器的黑盒行为模型，用于可再生能源系统的EMC分析。但是，这些现有的行为模型所针对的系统都为中低频系统，忽略了高频寄生特性对EMI噪声源和传播路径的影响，尤其是对于应用基于碳化硅器件的高频高功率密度系统。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：对EMI噪声源和传播路径的建模不够完整，在预测高频EMI噪声时受到限制，并且缺乏能够准确预测和描述寄生参数与CM噪声水平之间关系的EMI模型，特别是对于基于碳化硅器件的功率变换器系统。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法及其系统、设备，解决了现有技术中对EMI噪声源和传播路径的建模不够完整，在预测高频EMI噪声时受到限制以及缺乏能够准确预测和描述寄生参数与CM噪声水平之间关系的EMI模型的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，包括以下步骤：
步骤S1、对EMI噪声源进行定义并分析CM传导路径；
步骤S2、对EMI噪声源和噪声传导路径进行等效得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型，采用叠加原理得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型的共模电流求解式；
步骤S3、在基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型接入两组阻抗分别得到等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ；
步骤S4、搭建传导EMI的测试平台，将根据实验测得等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ的参数带入基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型参数的求解式得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型参数，将基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型参数带入共模电流求解式得到共模电流预测值；
步骤S5、将实验测试得到的等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ的共模电流相加即得到共模电流测试值，将共模电流测试值与共模电流预测值进行对比，若一致则模型预测准确，若不一致，则返回步骤S2-S4，直至共模电流测试值与共模电流预测值一致。
优选的，所述步骤S1中EMI噪声源定义为同步Buck电路中控制管的漏源极电压源VDS和同步管的漏极电流源ID；
所述CM传导路径包括：线路阻抗稳定网络即LISN中L端的RC支路、N端的RC支路；系统对地的寄生电容Cbus2，功率开关器件、绝缘导热硅胶以及接地散热器之间形成的寄生电容CP，PCB上输入母线对地的寄生电容Cbus1。
优选的，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21、将噪声源Q1及Cbus1和CP等效为一个双端口网络N1，双端口网络N1戴维南等效为串联连接的电压源Voc和戴维南阻抗ZS；将噪声源Q2及Cbus2和CP等效为一个双端口网络N2，双端口网络N2诺顿等效为串联连接的电流源Isc和诺顿阻抗ZD，CM噪声在线路阻抗稳定网络即LISN中的负载为等效前的一半为ZLISN/2，得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型，包括：诺顿阻抗ZD与电流源ID并联并与电压源VDS、戴维南阻抗ZS、CM噪声在LISN中的负载串联连接，CM噪声在LISN中的负载阻抗为ZLISN/2；
步骤S22、对基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型应用叠加定理，分别得到电流源ID开路和电压源VDS短路时的电路，电流源ID开路时的电路包括：电压源VDS、诺顿阻抗ZD、戴维南阻抗ZS串联连接，CM噪声在LISN中的负载阻抗为ZLISN/2，电流源ID开路时共模电流为I′CM；电压源VDS短路时的电路包括：电流源ID与诺顿阻抗ZD并联并与戴维南阻抗ZS串联，CM噪声在LISN中的负载阻抗为ZLISN/2，电压源VDS短路时的共模电流为I″CM；
步骤S23、电流源ID开路时的共模电流I′CM和电压源VDS短路时的电路的共模电流I″CM的表达式如式(1)和式(2)所示，I′CM和I″CM相加得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型共模电流ICM的表达式，如式(3)所示：
Figure SMS_1
Figure SMS_2
Figure SMS_3
优选的，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31、在基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型分别接入两组阻抗ZSHUNT1和ZSHUNT2，将ZSHUNT1与CM噪声在LISN中的负载并联得到等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1，将ZSHUNT2与CM噪声在LISN中的负载并联得到等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2；
步骤S32、对等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ应用叠加定理得到等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1和等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2的求解式，如式(4)-(7)所示：
Figure SMS_4
Figure SMS_5
Figure SMS_6
Figure SMS_7
其中，ZCM1表示在接入ZSHUNT1时共模负载的阻抗，ZCM2表示在接入ZSHUNT2时共模负载的阻抗；
步骤S33、将等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1和等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2进行反解得到戴维南阻抗ZS和诺顿阻抗ZD的表达式，如式(8)和式(9)所示：
Figure SMS_8
Figure SMS_9
优选的，所述步骤S4包括：通过实验测量ICM1、ICM2、VDS、ID，代入到式(3)，得到共模电流预测值。
优选的，所述ZSHUNT1和ZSHUNT2均包括串联连接的电容和电阻。
优选的，所述Buck电路还可替换为Boost电路或者Buck-Boost电路。
本发明还公开了一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模系统，包括：
分析模块用于定义EMI噪声源并分析CM传导路径；
提取电路模块用于对EMI噪声源和CM传导路径进行等效，得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型；
确定参数模块用于确定基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型的参数；
判断更新模块用于将基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型的共模电流预测值与测试值进行对比，并对参数进行更新。
本发明还公开了一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模设备，包括存储器、处理器以及计算机程序；
所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现任意一项所述的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，完整且准确地定义了系统的CM干扰源和噪声传导路径，描述了系统中CM EMI的行为特性。本发明的基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法准确性较高，预测结果与实验对比误差较小。本发明的基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI能够在高频段内很好的对EMI噪声的水平进行评估，同时给出了碳化硅器件开关特性和系统CM-EMI噪声之间的关系。
进一步地，相比传统的集总式电路模型和现有的行为模型，本发明提出的碳化硅功率变换器系统共模EMI的建模方法，适用于高频开关的变换器系统，同时能够准确描述EMI噪声源的实际物理意义，定性且定量地给出噪声源、传导路径与CM EMI水平的关系。
进一步地，通过分析系统共模EMI的产生和传导机理，提取模型的等效电路，并基于实验测量，确定基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型的参数，并对模型进行验证分析，使得基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型预测效率更高。
本发明还公开了一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模系统，特别针对应用650V碳化硅器件的功率变换器系统，研究变换器系统EMI的产生和传导机理，建立能够准确表征CM EMI的高频行为模型，并通过实验测试验证，为碳化硅器件应用过程中EMI问题的研究提供理论模型和机理。
本发明还公开了一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模设备，对碳化硅器件大功率、高频应用的开发和变换器系统EMC特性的优化具有重要的工程价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法的原理图；
图2是本发明实施例提供的碳化硅功率变换器系统CM EMI行为模型的等效方法示意图；
图3是本发明实施例提供的碳化硅功率变换器系统CM EMI行为模型的等效电路图；
图4是本发明实施例提供的应用叠加定理求解ICM求解式的方法示意图；
图5是本发明实施例提供的碳化硅功率变换器系统CM-EMI等效电路模型Ⅰ的原理图；
图6是本发明实施例提供的碳化硅功率变换器系统CM-EMI等效电路模型Ⅱ的原理图；
图7是本发明实施例提供的实验测试平台图；
图8是本发明实施例提供的控制管漏源极电压VDS的时域测试结果图和频域测试结果图；
图9是本发明实施例提供的同步管漏极电流ID的时域测试结果图和频域测试结果图；
图10是本发明实施例提供的ICM1的时域测试结果图和频域测试结果图；
图11是本发明实施例提供的ICM2的时域测试结果图和频域测试结果图；
图12是本发明实施例提供的ZSHUNT1和ZSHUNT2的阻抗特性测试结果图；
图13是本发明实施例提供的电路参数ZD的提取结果图；
图14是本发明实施例提供的电路参数ZS的提取结果图；
图15是本发明实施例提供的基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI测试结果图；
图16是本发明实施例提供的基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI预测结果图；
图17是本发明实施例提供的基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI预测结果与测试结果对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例提供的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，包括以下步骤：
步骤S1、对EMI噪声源进行定义并分析CM传导路径；基于同步Buck电路，分析CM-EMI的产生和传导机理：通过分析Buck电路的工作原理，提出控制管和同步管的高频开关产生高频噪声和高变化率电压信号、电流信号，高频噪声和高变化率电压信号、电流信号经过系统中寄生电容Cbus和CP的耦合，传导到GND回路中，从而在变换器系统中产生了EMI噪声，如图1所示；
步骤S2、对EMI噪声源和噪声传导路径进行等效得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型，采用叠加原理得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型的共模电流求解式；首先将噪声源Q1及Cbus1和CP等效为一个双端口网络N1，端口电流信号和电压信号分别为i和u，根据戴维南等效定理，网络N1可以等效为一个电压源Voc和一个阻抗ZS串联，同时所得到的等效电路中的电流信号和端口电压信号保持i和u不变，如图2a中所示；其中，电压源Voc的值等于网络中电流为0，即负载开路时的端口电压，阻抗ZS的值等于网络内部独立源全部为0时所得网络的等效阻抗，如图2b中所示；然后将噪声源Q2及Cbus2和CP等效为一个双端口网络N2，端口电流信号和电压信号分别为i和u。根据诺顿等效定理，网络N2可以等效为一个电流源Isc和一个阻抗ZD串联，同时所得到的等效电路中的电流信号和端口电压信号保持i和u不变，如图2c中所示；其中，电流源Isc的值等于网络外部短路时的端口电流，阻抗ZD的值等于网络内部独立源全部为0时所得网络的等效阻抗，如图2d中所示；基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型，包括：诺顿阻抗ZD与电流源ID并联并与电压源VDS、戴维南阻抗ZS、CM噪声在LISN中的负载串联连接，CM噪声在LISN中的负载为ZLISN/2，如图3所示；
对基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型应用叠加定理，分别得到电流源ID开路和电压源VDS短路时的电路；电流源ID开路时，电压源VDS与ZD、ZS串联，CM噪声在LISN中的负载为ZLISN/2，电流源ID开路时共模电流为I′CM，如图4a所示；电压源VDS短路时，电流源ID与ZD并联，并与ZS串联，CM噪声在LISN中的负载为ZLISN/2，电压源VDS短路时的共模电流为I″CM，如图4b所示。电流源ID开路时的共模电流I′CM和电压源VDS短路时的电路的共模电流I″CM的表达式如式(1)和式(2)所示，I′CM和I″CM相加得到碳化硅功率变换器系统共模电流ICM的表达式，如式(3)所示：
Figure SMS_10
Figure SMS_11
Figure SMS_12
步骤S3、在基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型接入两组阻抗分别得到等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ；
步骤S31、在基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型分别接入两组阻抗ZSHUNT1和ZSHUNT2，将ZSHUNT1与CM噪声在LISN中的负载并联得到等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1，如图5所示，将ZSHUNT2与CM噪声在LISN中的负载并联得到等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2，如图6所示；在CM回路中，干扰信号在负载端表现为并联分流，所以阻抗ZLISN，ZSHUNT1，ZSHUNT2都等于其实际大小的一半；
步骤S32、对等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ应用叠加定理得到等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1和等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2的求解式，如式(4)-(7)所示：
Figure SMS_13
Figure SMS_14
Figure SMS_15
Figure SMS_16
其中，ZCM1表示在接入ZSHUNT1时共模负载的阻抗，ZCM2表示在接入ZSHUNT2时共模负载的阻抗。
步骤S33、将等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1和等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2进行反解得到戴维南阻抗ZS和诺顿阻抗ZD的表达式，如式(8)和式(9)所示：
Figure SMS_17
Figure SMS_18
步骤S4、搭建传导EMI的测试平台，将根据实验测得等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ的参数带入基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型参数的求解式得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型参数，将基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型参数带入共模电流求解式得到共模电流预测值；
如图7所示，测试平台由待测设备同步Buck变换器、控制器DSP TMS320F28335、示波器、直流输入电源、驱动电源、EMI接收机和LISN组成。控制器DSP TMS320F28335为同步Buck变换器提供两路互补的PWM信号，用于控制控制管Q1和同步管Q2的交替导通关断，直流输入电源为同步Buck变换器提供VDC，驱动电源为Q1和Q2的栅源极提供导通所需要的电压，LISN用于隔离直流输入电源中的噪声信号，同时将同步Buck变换器所产生的EMI噪声与直流输入电源隔离，EMI接收机用于测量LISN中电阻的电压信号，得到碳化硅功率变换器系统CM-EMI的测试值；本实施中LISN中电阻为50Ω。ZSHUNT1由一个22Ω电阻和一个1μF电容串联组成，ZSHUNT2由一个300Ω电阻和一个1μF电容串联组成；
通过实验测量获取变量VDS、ID、ICM1、ICM2。VDS的时域波形如图8a所示，ID的时域波形如图9a所示，VDS的频域波形如图8b所示，ID的频域波形如图9b所示，无论是VDS还是ID，在开关管导通和关断的时刻都存在一定的脉冲尖峰；在输入电压为100V的条件下，Q1关断时刻，其漏源极电压VDS的正向脉冲达到20V，导通时刻，VDS的负向脉冲达到40V；Q2关断时刻，其漏极电流ID的波形存在幅值为±7A的脉冲振荡，而导通时刻，脉冲尖峰较小。从二者时域波形整体来看，噪声源Q1在其导通时刻所产生的dv/dt较大，噪声源Q2在其关断时刻所产生的di/dt较大。图8b和图9b中，3MHz以内的频谱幅值大于3MHz以上的频谱幅值，VDS的频谱尖峰出现在2MHz处，ID的频谱尖峰出现在2.5MHz处。ICM1的时域波形如图10a所示，ICM2的时域波形如图11a所示，以ICM1的时域波形图为例，图10a中的振荡出现在控制管Q1导通和关断两个过程，且整体呈现波动。相比于关断，控制管Q1的导通所引入的CM振荡更为严重。与噪声源Q1对系统EMI的影响不同，Q2在关断时刻所引入CM干扰更为严重。Q1和Q2对ICM2存在相同的影响。ICM1的频谱波形如图10b所示，ICM2的频谱波形如图11b所示。其中，ICM1的频谱峰值为60dBμA，出现在3MHz出，ICM2的频谱峰值为60dBμA，同样出现在3MHz。从整体来看，ICM1和ICM2在5MHz以下的频段上，幅值更大，说明系统中处于150kHz-5MHz的CM-EMI噪声更多；图12给出了ZSHUNT1和ZSHUNT2的阻抗特性测试曲线；
将VDS、ID、ICM1、ICM2、ZSHUNT1和ZSHUNT2的频域数据代入到式(8)和式(9)中，求解ZD和ZS的频谱波形，结果如图13和图14所示，从二者的两个波形中可以看到，ZD和ZS的频谱包络基本呈现容性；对CM EMI进行提取和等效时，所得到的网络N1和N2中主要包括了系统对地的寄生电容Cbus1，Cbus2和CP，而ZD和ZS主要就是用来等效网络中的阻抗信息，这说明基于对ZD和ZS的提取结果是与实际相吻合的；
将VDS、ID、ZD、ZS和ZLISN的频域数据代入到式(3)，求解ICM，得到碳化硅功率变换器系统ICM的预测值，如图16所示，预测结果显示，ICM频谱波形的峰值出现在2MHz，这与VDS和ID频谱尖峰所处的频率值是一致的，说明了预测结果的有效性；
步骤S5、将实验测试得到的等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1和等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2相加即得到共模电流测试值，将共模电流测试值与共模电流预测值进行对比，若一致则模型预测准确，若不一致，则返回步骤S2-S4，直至预测值与测试值一致。测试结果如图15所示，其峰值为63dBA，出现在2.5MHz；将基于模型计算的预测结果与实验测试结果进行对比；其中，实验参数如表1所示，结果如图17所示。在整个传导EMI的测量频段内，基于图3中等效模型的共模电流预测值与实际测量值基本吻合，能够实现对Buck变换器系统EMI的预测。Buck变换器系统EMI等效模型的有效性和准确性得以验证，说明本发明的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，能够完整且准确地定义了系统的EMI噪声源和CM传导路径，描述了系统中CM EMI的行为特性，且本发明准确性较高，预测结果与实验对比误差较小。本发明的基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型能够在高频段内很好的对EMI噪声的水平进行评估，同时给出了碳化硅器件开关特性和系统CM EMI噪声之间的关系。
表1测试平台实验参数
参数 型号/值 参数 值
Buck电路的直流输入电压 100V 碳化硅器件 C3M0045065D
导通驱动电压 6V 关断驱动电压 0V
开通电阻 10Ω 开关频率 500kHz
关断电阻 2Ω 占空比 0.5
输入电容 150μF 驱动IC STDRIVEG600
LISN NSLK 8127 数字示波器 DPO 5034B
图15给出了ICM的实验测试结果，图16给出了ICM的模型预测结果，并在图17中给出了对比结果，总的来说，本发明所提的基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型在功率变换器系统EMI预测方面是准确和可靠的。综上所述，本发明的有效性得到了充分验证。本发明实施例提供的建模方法，利用实验测试，验证了模型的准确性，可用于对碳化硅功率变换器系统的EMI预测，为碳化硅器件在高频、高功率密度应用过程中的EMC优化提供了理论基础。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、对EMI噪声源进行定义并分析CM传导路径；
步骤S2、对EMI噪声源和噪声传导路径进行等效得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型，采用叠加原理得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型的共模电流求解式；
步骤S3、在基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型接入两组阻抗分别得到等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ；
步骤S4、搭建传导EMI的测试平台，将根据实验测得等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ的参数带入基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型参数的求解式得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型参数，将基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型参数带入共模电流求解式得到共模电流预测值；
步骤S5、将实验测试得到的等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ的共模电流相加即得到共模电流测试值，将共模电流测试值与共模电流预测值进行对比，若一致则模型预测准确，若不一致，则返回步骤S2-S4，直至共模电流测试值与共模电流预测值一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，其特征在于，所述步骤S1中EMI噪声源定义为同步Buck电路中控制管的漏源极电压源VDS和同步管的漏极电流源ID；
所述CM传导路径包括：线路阻抗稳定网络即LISN中L端的RC支路、N端的RC支路；系统对地的寄生电容Cbus2，功率开关器件、绝缘导热硅胶以及接地散热器之间形成的寄生电容CP，PCB上输入母线对地的寄生电容Cbus1。
3.根据权利要求2所述的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21、将噪声源Q1及Cbus1和CP等效为一个双端口网络N1，双端口网络N1戴维南等效为串联连接的电压源Voc和戴维南阻抗ZS；将噪声源Q2及Cbus2和CP等效为一个双端口网络N2，双端口网络N2诺顿等效为串联连接的电流源Isc和诺顿阻抗ZD，CM噪声在线路阻抗稳定网络即LISN中的负载为等效前的一半为ZLISN/2，得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型，包括：诺顿阻抗ZD与电流源ID并联并与电压源VDS、戴维南阻抗ZS、CM噪声在LISN中的负载串联连接，CM噪声在LISN中的负载阻抗为ZLISN/2；
步骤S22、对基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型应用叠加定理，分别得到电流源ID开路和电压源VDS短路时的电路，电流源ID开路时的电路包括：电压源VDS、诺顿阻抗ZD、戴维南阻抗ZS串联连接，CM噪声在LISN中的负载阻抗为ZLISN/2，电流源ID开路时共模电流为I′CM；电压源VDS短路时的电路包括：电流源ID与诺顿阻抗ZD并联并与戴维南阻抗ZS串联，CM噪声在LISN中的负载阻抗为ZLISN/2，电压源VDS短路时的共模电流为I″CM；
步骤S23、电流源ID开路时的共模电流I′CM和电压源VDS短路时的电路的共模电流I″CM的表达式如式(1)和式(2)所示，I′CM和I″CM相加得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型共模电流ICM的表达式，如式(3)所示：
Figure FDA0004095003980000021
Figure FDA0004095003980000022
Figure FDA0004095003980000023
4.根据权利要求3所述的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31、在基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型分别接入两组阻抗ZSHUNT1和ZSHUNT2，将ZSHUNT1与CM噪声在LISN中的负载并联得到等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1，将ZSHUNT2与CM噪声在LISN中的负载并联得到等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2；
步骤S32、对等效电路模型Ⅰ和等效电路模型Ⅱ应用叠加定理得到等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1和等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2的求解式，如式(4)-(7)所示：
Figure FDA0004095003980000031
Figure FDA0004095003980000032
Figure FDA0004095003980000033
Figure FDA0004095003980000034
其中，ZCM1表示在接入ZSHUNT1时共模负载的阻抗，ZCM2表示在接入ZSHUNT2时共模负载的阻抗；
步骤S33、将等效电路模型Ⅰ的共模电流ICM1和等效电路模型Ⅱ的共模电流ICM2进行反解得到戴维南阻抗ZS和诺顿阻抗ZD的表达式，如式(8)和式(9)所示：
Figure FDA0004095003980000035
Figure FDA0004095003980000036
5.根据权利要求4所述的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，其特征在于，所述步骤S4包括：通过实验测量ICM1、ICM2、VDS、ID，代入到式(3)，得到共模电流预测值。
6.根据权利要求2所述的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，其特征在于，所述ZSHUNT1和ZSHUNT2均包括串联连接的电容和电阻。
7.根据权利要求2所述的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法，其特征在于，所述Buck电路还可替换为Boost电路或者Buck-Boost电路。
8.采用如权利要求1-7任意一项所述的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法的系统，其特征在于，包括：
分析模块，用于定义EMI噪声源并分析CM传导路径；
提取电路模块，用于对EMI噪声源和CM传导路径进行等效，得到基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型；
确定参数模块，用于确定基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型的参数；
判断更新模块，用于将基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI模型的共模电流预测值与测试值进行对比，并对参数进行更新。
9.一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及计算机程序；
所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现权利要求1-7任意一项所述的一种基于碳化硅功率变换器系统CM-EMI建模方法。
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CN116629183B (zh) * 2023-07-24 2023-10-13 湖南大学 碳化硅mosfet干扰源建模方法、设备及存储介质

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