CN117330839B - 一种基于tmr频率特性的寄生参数非接触提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，搭建寄生参数测试电路，将待测部件接入寄生参数测试电路，利用TMR非接触测量电路捕获功率器件关断引起的电磁振荡，提取待测部件寄生参数。本发明可以避免采样设备与高压测试电路的直接接触，同时减小探头的负载效应，测量具有安全性和灵活性。

Description

一种基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法

技术领域

本发明涉及电力电子测试技术领域，特别涉及一种基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法。

背景技术

寄生参数分布于电力电子变换器的各部件中，包括螺栓、母线支撑电容器、功率器件中的寄生电感，以及叠层母排等连接件中的寄生电感、电容组合等。寄生参数作用于瞬态换流过程，可能会引起变换器系统的复杂电磁行为及多类非理想特性，例如电压与电流过冲、额外损耗、电磁干扰等。随着器件开关速度的提高，寄生参数的重要性更加突显。因此，如何实现寄生参数准确提取，成为提升装置研发与设计水平研究中的重要方面。

目前关于寄生参数的实验类方法主要利用稳态响应或者瞬态响应进行参数求取。稳态类方法主要通过阻抗分析仪等专用设备进行，在微小寄生参数的实验提取过程中，夹具及其连接方式造成的结果一致性问题有待解决。传统瞬态响应方法根据开关瞬态中同一时段下的电压及对应电流斜率求取寄生电感值，其关键在于瞬态波形中清晰的电压跌落台阶捕获以及多通道电压与电流的准确采样，因此该方法易受采样设备性能、区间选取主观因素等方面的制约。另外，有研究提出利用开关瞬态SiC频率信息的寄生参数提取方法，但该方法仍需将采样设备接至高压测试电路，且探头输入电容与器件漏源极等效电容并联，其负载效应会引入新的测试干扰，测量准确性、安全性以及实用性仍有待提升。

TMR元件是一种基于隧穿磁阻效应的磁传感器，具有低延迟、高带宽、高耐压的产品特性，能够实现原边被测信号的快速跟踪。另外，TMR元件采用非介入式设计，能够实现与原边电流的完全隔离；且其与原边电路的耦合效应微弱，对原边被被测信号干扰小。因此，TMR元件可为高精度的信号采样应用提供技术方案。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法。本发明可以避免采样设备与高压测试电路的直接接触，同时减小探头的负载效应，测量具有安全性和灵活性。

本发明的技术方案：一种基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，搭建寄生参数测试电路，将待测部件接入寄生参数测试电路，利用TMR非接触测量电路捕获功率器件关断引起的电磁振荡，提取待测部件寄生参数。

上述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，所述寄生参数测试电路包括依次串联的直流母线电容C_bus、DUT端口、二极管D与功率器件S；所述二极管两端并联有负载电感L，所述的DUT端口位于二极管D的阴极与直流母线电容C_bus正极之间。

前述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，所述DUT端口设有槽形接口，用于适配不同形状的待测部件端子。

前述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，搭建寄生参数测试电路后，进行寄生参数测试电路寄生参数校准；所述寄生参数测试电路寄生参数校准是为预先提取寄生参数测试电路的等效寄生电感L_loop与功率器件关断瞬态漏源极等效电容C_eq，其步骤是在短接DUT端口的条件下，通过在并联容值为C₀的高精度贴片电容前后，触发功率器件关断动作并采集TMR非接触测试电路的输出电压时域波形，利用插值优化离散傅里叶变换得到两组不同的振荡角频率ω_k1与ω_k2，其表达式为：

根据提取所得的ω_k1、ω_k2与已知的C₀，结合上式计算得到测试平台的等效寄生电感L_loop与等效寄生电容C_eq。

前述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，所述TMR非接触测量电路包括TMR传感器芯片与电源电路；所述电源电路为TMR传感器芯片提供供电电压，所述电源电路的正电压端VCC与接地端GND均由外部电源提供，正电压端VCC与接地端GND经过滤波电容C₁、滤波电容C₂两端后分别接至TMR传感器芯片的供电端与接地端；所述TMR传感器芯片的输出端连接有输出电阻R_o，输出电阻R_o另一端作为TMR非接触测量电路的输出电压v_out。

前述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，将待测部件接入寄生参数测试电路，建立测试电路的关断瞬态等效运算电路模型；所述关断瞬态等效运算电路模型包括依次串联的母线电容模型、单电感型待测部件模型、回路寄生电感模型、回路寄生电阻模型以及功率器件关断瞬态模型；其中，母线电容模型为V_dc为母线电压，s为复频率；单电感型待测部件模型为sL_x与电压源i_loadL_x串联，i_load为负载电流，L_x为待测寄生电感参数；回路寄生电感模型为sL_loop与电压源i_loadL_loop串联，L_loop为回路寄生电感；回路寄生电阻模型为R_loop；功率器件关断瞬态模型为/>与电压源/>串联，C_eq为功率器件关断瞬态漏源极等效电容。

前述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，对于单电感型待测部件，其关断瞬态具有一个特征角频率ω_α，其与待测寄生电感参数L_x的关系式如下：

最后根据提取所得的特征角频率ω_α，结合上式计算得到待测寄生电感参数L_x。

前述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，将待测部件接入寄生参数测试电路，建立测试电路的关断瞬态等效运算电路模型；所述关断瞬态等效运算电路模型包括依次串联的母线电容模型、电感电容并存型待测部件模型、回路寄生电感模型、回路寄生电阻模型以及功率器件关断瞬态模型；其中，母线电容模型为V_dc为母线电压，s为复频率；电感电容并存型待测部件模型为sL_x与电压源i_loadL_x串联，再与/>并联，L_x为待测寄生电感参数，C_x为待测寄生电容参数；回路寄生电感模型为sL_loop与电压源i_loadL_loop串联，L_loop为回路寄生电感，i_load为负载电流；回路寄生电阻模型为R_loop；功率器件关断瞬态模型为/>与电压源/>串联，C_eq为功率器件关断瞬态漏源极等效电容。

前述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，对于电感电容并存型待测部件模型，其关断瞬态具有两个特征角频率ω_β和ω_γ，其与待测寄生电感参数L_x以及待测寄生电容参数C_x的关系式如下：

其中：

最后根据提取所得的特征角频率ω_β和ω_γ，结合上式计算得到待测寄生电感参数L_x和待测寄生电容参数C_x。

与现有技术相比，本发明利用所搭建的TMR非接触测量电路提取关断瞬态振荡信息，进而计算待测寄生参数。相比于稳态类测试方法，本发明能降低夹具引入的干扰；相比于基于双脉冲测试的方法，本发明能够减小由测试设备，以及计算区间选取主观因素等方面的影响。另一方面，本发明采用非介入式设计的TMR传感器，能实现与原边被测电路的完全隔离，从而显著降低探头的负载效应干扰；同时，由于TMR传感器与原边回路的耦合很小，对原边被测信号的频率特性影响较小。由上可知，本发明提供了一种基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，可以避免采样设备与高压测试电路的直接接触，同时减小探头的负载效应，能够在满足测量准确性的同时，提升方法安全性、实用性以及灵活性。

附图说明

图1为本发明的寄生参数测试电路示意图。

图2为本发明的TMR非接触测量电路示意图。

图3为本发明的电路布局示意图。

图4为本发明寄生参数测试电路实物的槽形接口设计示意图。

图5为本发明实施一例中寄生参数测试电路的关断瞬态等效电路。

图6为本发明实施二例中寄生参数测试电路的关断瞬态等效电路。

图7为本发明实施一例中v_out1时域测试波形图。

图8为本发明实施例一中V_out1频域测试波形图。

图9为本发明实施例二中v_out2时域测试波形图。

图10为本发明实施例二中V_out2频域测试波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：一种基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，搭建寄生参数测试电路，将待测部件接入寄生参数测试电路，利用TMR非接触测量电路捕获功率器件关断引起的电磁振荡，提取待测部件寄生参数。具体的步骤如下：

步骤1、搭建寄生参数测试电路，进行测试平台寄生参数校准；

本步骤中，如图1所示，所述寄生参数测试电路包括依次串联的直流母线电容C_bus、DUT端口、二极管D与功率器件S；所述二极管两端并联有负载电感L，所述的DUT端口位于二极管D的阴极与直流母线电容C_bus正极之间；所述的功率开关器件通常选用具有高开关速度的MOSFET，其关断时间通常小于20nS；所述的直流母线电容C_bus选用50V、100uF的电解电容，二极管D以及功率器件MOSFET选用所需工况等级的器件。驱动信号v_GS由ST公司STM32F446RC数字信号处理器提供。所述DUT端口设有槽形接口，如图4所示，用于适配不同形状的待测部件端子，能满足间距d1至d2的端口连接需求。

如图2所示，所述TMR非接触测量电路包括TMR传感器芯片与电源电路；所述电源电路为TMR传感器芯片提供供电电压，所述电源电路的正电压端VCC与接地端GND均由外部电源提供，正电压端VCC与接地端GND经过滤波电容C₁、滤波电容C₂两端后分别接至TMR传感器芯片的供电端与接地端；所述TMR传感器芯片的输出端连接有输出电阻R_o，输出电阻R_o另一端作为TMR非接触测量电路的输出电压v_out。

所述的电路布局需要考虑TMR传感器芯片的敏感轴方向，将寄生参数测试电路放置在TMR非接触测量电路附近，同时选择合适的电路布局，使寄生参数测试电路中有电流流通的部分置于TMR传感器芯片的敏感轴方向上，如图3所示。

搭建寄生参数测试电路后，进行寄生参数测试电路寄生参数校准；所述寄生参数测试电路寄生参数校准是为预先提取寄生参数测试电路的等效寄生电感L_loop与功率器件关断瞬态漏源极等效电容C_eq，其步骤是在短接DUT端口的条件下，分别在功率器件漏源极并联容值C₀为1nF的高精度贴片电容前后，触发功率器件关断动作并采集TMR非接触测试电路的输出电压时域波形，利用插值优化离散傅里叶变换得到两组不同的振荡角频率ω_k1与ω_k2，其表达式为：

根据提取所得的ω_k1、ω_k2与已知的C₀，结合上式计算得到测试平台的等效寄生电感L_loop与等效寄生电容C_eq。本实施例中，提取所得的ω_k1、ω_k2对应的振荡频率分别为28.58MHz与20.25MHz，结合上式计算得到平台寄生参数L_loop为30.76nH，C_eq为1.01nF。

步骤2、将待测部件接入寄生参数测试电路，建立测试电路的关断瞬态等效运算电路模型；

作为具体的实施例一，以单电感型部件铜片的寄生电感为被测对象,其中，铜片厚度为0.2mm,铜片宽度为10mm,铜片长度为33mm。

如图5所示，所述关断瞬态等效运算电路模型包括依次串联的母线电容模型、单电感型待测部件模型、回路寄生电感模型、回路寄生电阻模型以及功率器件关断瞬态模型；其中，母线电容模型为V_dc为母线电压，s为复频率；单电感型待测部件模型为sL_x与电压源i_loadL_x串联，i_load为负载电流，L_x为待测寄生电感参数；回路寄生电感模型为sL_loop与电压源i_loadL_loop串联，L_loop为回路寄生电感；回路寄生电阻模型为R_loop；功率器件关断瞬态模型为与电压源/>串联，C_eq为功率器件关断瞬态漏源极等效电容。

对于单电感型待测部件，其关断瞬态具有一个特征角频率ω_α，其与待测寄生电感参数L_x的关系式如下：

最后根据提取所得的特征角频率ω_α，结合上式计算得到待测寄生电感参数L_x。

作为具体的实施例二，在铜片两端并联贴片电容以构成电感电容并存型待测部件。

将待测部件接入寄生参数测试电路，建立测试电路的关断瞬态等效运算电路模型；如图6所示，所述关断瞬态等效运算电路模型包括依次串联的母线电容模型、电感电容并存型待测部件模型、回路寄生电感模型、回路寄生电阻模型以及功率器件关断瞬态模型；其中，母线电容模型为V_dc为母线电压，s为复频率；电感电容并存型待测部件模型为sL_x与电压源i_loadL_x串联，再与/>并联，L_x为待测寄生电感参数，C_x为待测寄生电容参数；回路寄生电感模型为sL_loop与电压源i_loadL_loop串联，L_loop为回路寄生电感，i_load为负载电流；回路寄生电阻模型为R_loop；功率器件关断瞬态模型为/>与电压源/>串联，C_eq为功率器件关断瞬态漏源极等效电容。

对于电感电容并存型待测部件模型，其关断瞬态具有两个特征角频率ω_β和ω_γ，其与待测寄生电感参数L_x以及待测寄生电容参数C_x的关系式如下：

其中：

最后根据提取所得的特征角频率ω_β和ω_γ，结合上式计算得到待测寄生电感参数L_x和待测寄生电容参数C_x。

对于上述实施例一以及实施例二，本发明采用一个电压探头测量TMR非接触测量电路的输出电压波形。图7所示为实施例一中的输出电压时域波形，图9为实施例二中的输出电压时域波形。

截取输出电压时域波形中振荡明显区段的时域波形，利用插值离散傅里叶变换进行频谱分析，分别得到实例一与实例二的频谱图，如图8与图10所示。观察到实例一具有一个特征角频率ω_α，对应频率f_α为23.47MHz，实例二具有两个特征角频率ω_β与ω_γ，对应频率f_β与f_γ为8.31MHz与27.86MHz。

根据寄生参数电路模型，将提取所得的特征角频率、以及预先测量得到的平台参数，代入对应的振荡解析表达式。得到实例一中待测铜片的电感值为14.9nH，实例二中待测电感与电容分别为16.94nH与22.74nF。

为验证所述方法的测量准确性，采用不同方法对寄生参数针对铜片电感L_x进行多种方法的测量对比。基于Ansys Q3D电磁数值仿真软件得到的仿真电感值为15.70nH，基于理论计算公式得到的寄生电感值为16.07nH，测量误差小于8％。针对电容C_x的容值测量准确性，电容理论值为22nF，采用阻抗分析仪设备得到的电容值为21.89nF，测量误差小于4％。这证明了本发明的测量准确性。

综上所述，本发明将待测部件接入寄生参数测试电路，并在寄生参数测试电路附近放置TMR非接触测量电路。寄生参数测试电路的关断状态激发电路中产生高频电流振荡现象，电流在空间中产生磁场并由TMR非接触测量电路捕获，进而使TMR电路的输出电压呈现同频振荡。进一步的，利用TMR非接触测量电路输出电压波形中的频率信息进行参数提取，由此本发明可以避免采样设备与高压测试电路的直接接触，同时减小探头的负载效应，能够在满足测量准确性的同时，提升方法安全性、实用性以及灵活性。

Claims (7)

1.一种基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，其特征在于：搭建寄生参数测试电路，将待测部件接入寄生参数测试电路，利用TMR非接触测量电路捕获功率器件关断引起的电磁振荡，提取待测部件寄生参数；

所述寄生参数测试电路包括依次串联的直流母线电容C_bus、DUT端口、二极管D与功率器件；所述二极管D两端并联有负载电感L，所述的DUT端口位于二极管D的阴极与直流母线电容C_bus正极之间；

搭建寄生参数测试电路后，进行寄生参数测试电路寄生参数校准；所述寄生参数测试电路寄生参数校准是为预先提取寄生参数测试电路的回路寄生电感L_loop与功率器件关断瞬态漏源极等效电容C_eq，其步骤是在短接DUT端口的条件下，分别在功率器件漏源极并联容值C₀为1nF的高精度贴片电容前后，触发功率器件关断动作并采集TMR非接触测量电路的输出电压时域波形，利用插值优化离散傅里叶变换得到两组不同的振荡角频率ω_k1与ω_k2，其表达式为：

根据提取所得的ω_k1、ω_k2与已知的C₀，结合上式计算得到寄生参数测试电路的回路寄生电感L_loop与功率器件关断瞬态漏源极等效电容C_eq。

2.根据权利要求1所述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，其特征在于：所述DUT端口设有槽形接口，用于适配不同形状的待测部件端子。

3.根据权利要求1所述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，其特征在于：所述TMR非接触测量电路包括TMR传感器芯片与电源电路；所述电源电路为TMR传感器芯片提供供电电压，所述电源电路的正电压端VCC与接地端GND均由外部电源提供，正电压端VCC与接地端GND经过滤波电容C₁、滤波电容C₂两端后分别接至TMR传感器芯片的供电端与接地端；所述TMR传感器芯片的输出端连接有输出电阻R_o，输出电阻R_o另一端作为TMR非接触测量电路的输出电压v_out。

4.根据权利要求1所述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，其特征在于：将待测部件接入寄生参数测试电路，建立寄生参数测试电路的关断瞬态等效运算电路模型；所述关断瞬态等效运算电路模型包括依次串联的母线电容模型、单电感型待测部件模型、回路寄生电感模型、回路寄生电阻模型以及功率器件关断瞬态模型；其中，母线电容模型为V_dc为母线电压，s为复频率；单电感型待测部件模型为sL_x与电压源i_loadL_x串联，i_load为负载电流，L_x为待测寄生电感参数；回路寄生电感模型为sL_loop与电压源i_loadL_loop串联，L_loop为回路寄生电感；回路寄生电阻模型为R_loop；功率器件关断瞬态模型为/>与电压源/>串联，C_eq为功率器件关断瞬态漏源极等效电容。

5.根据权利要求4所述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，其特征在于：对于单电感型待测部件模型，其关断瞬态具有一个特征角频率ω_α，其与待测寄生电感参数L_x的关系式如下：

最后根据提取所得的特征角频率ω_α，结合上式计算得到待测寄生电感参数L_x。

6.根据权利要求1所述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，其特征在于：将待测部件接入寄生参数测试电路，建立寄生参数测试电路的关断瞬态等效运算电路模型；所述关断瞬态等效运算电路模型包括依次串联的母线电容模型、电感电容并存型待测部件模型、回路寄生电感模型、回路寄生电阻模型以及功率器件关断瞬态模型；其中，母线电容模型为V_dc为母线电压，s为复频率；电感电容并存型待测部件模型为sL_x与电压源i_loadL_x串联，再与/>并联，L_x为待测寄生电感参数，C_x为待测寄生电容参数；回路寄生电感模型为sL_loop与电压源i_loadL_loop串联，L_loop为回路寄生电感，i_load为负载电流；回路寄生电阻模型为R_loop；功率器件关断瞬态模型为/>与电压源/>串联，C_eq为功率器件关断瞬态漏源极等效电容。

7.根据权利要求6所述的基于TMR频率特性的寄生参数非接触提取方法，其特征在于：对于电感电容并存型待测部件模型，其关断瞬态具有两个特征角频率ω_β和ω_γ，其与待测寄生电感参数L_x以及待测寄生电容参数C_x的关系式如下：

其中：

最后根据提取所得的特征角频率ω_β和ω_γ，结合上式计算得到待测寄生电感参数L_x和待测寄生电容参数C_x。