一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法

1.本发明涉及超高频谐振变换器的技术领域，尤其是指一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法。


背景技术：

2.超高频谐振变换器能够显著减小系统无源元件体积，降低整体重量及成本，提高系统瞬态响应速度。然而超高频谐振变换器谐振模态过程受开关管输出端寄生电容非线性特性影响明显，直接依赖器件数据手册进行参数设计将会产生较大误差。此外，若借助数值仿真软件进行辅助参数设计，则只能盲调，存在物理意义不明确及设计效率低的问题。超高频谐振变换器为保证系统取得较高的工作效率，通常需要工作在软开关下。若在变换器参数设计阶段所参考的开关管输出端寄生电容数值与实际工作情况下的等效电容数值存在较大差距，将会造成实际变换器运行过程中开关管无法实现软开关，导致器件发热严重，降低变换器工作效率，甚至烧毁器件。
3.目前开关管寄生电容研究领域的相关专利主要为提取开关管寄生电容在相应电压下的数值，如申请号cn201711130805.8提出一种gan hemt器件寄生参数的提取方法，将夹断偏置条件下的测试数据分为低频段、中频段和高频段，分别提取寄生电容和本征电容及寄生电感，并引入一个最优参数搜索算法，减小参数提取结果受测试不确定性的影响；申请号cn201710887326.4提出一种用于提取双栅极砷化镓phemt器件寄生电容是的开路结构测试方法，克服了通过器件截止、低频测量的直接法得到的电容值和内部本征参数不准确的缺陷。但遗憾的是，在电力电子变换器应用研究领域，尤其是超高频谐振变换器研究领域，尚未有针对变换器谐振模态受开关管输出端寄生电容非线性特性影响显著的问题，提出一种行之有效的等效电容获取方法。因此本领域需要一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，可有效提高超高频谐振变换器的参数设计准确度。
5.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，包括以下步骤：
6.s1、搭建获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路；
7.s2、列写步骤s1所述电路的状态变量的微分方程组；
8.s3、获得开关管输出端寄生电容与开关管输出端电压之间的数学表达式，并将其代入步骤s2所述的微分方程组；
9.s4、求解经步骤s3后所得的微分方程组，获得超高频运行开关管输出端电压数值计算结果；
10.s5、基于步骤s4所述超高频运行开关管输出端电压数值计算结果，求取超高频运
行开关管输出端电压从初始值至首次为零所需时长；
11.s6、根据步骤s5所述时长计算超高频运行开关管输出端等效寄生电容。
12.进一步，所述超高频运行开关管指的是在超高频(数十mhz)谐振变换器中运行的开关管；所述输出端指的是开关管漏极和源极之间。
13.进一步，在步骤s1中，所述电路包含电源、电感和超高频运行开关管；其中，所述电源正极与电感一端连接，所述电感另一端与超高频运行开关管的漏极连接，所述超高频运行开关管的栅极、源极与电源负极连接。
14.进一步，在步骤s2中，所述微分方程组的电感电流初始值为零、超高频运行开关管输出端电压初始值为根据实际变换器工作需要给定。
15.进一步，在步骤s3中，所述开关管输出端寄生电容与开关管输出端电压之间的数学表达式是在器件生产商提供的spice模型描述语句的基础上经数学推导获得。
16.进一步，在步骤s4中，求解所述微分方程组的数学模型为基于单步欧拉法所建立定不长数值迭代模型。
17.进一步，在步骤s6中，所述时长与超高频运行开关管输出端等效寄生电容之间的关系如下式：
[0018][0019]
式中：c
eq
为超高频运行开关管输出端等效寄生电容，δt为开关管输出端电压从初始值至首次为零所需时长，lr为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路中的电感，v
in
为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路中的电源，v
ds
(0)为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路中开关管输出端初始电压。
[0020]
本发明具有以下优点及有益效果：
[0021]
1、本发明公开的方法可提高在开关管输出端寄生电容非线性特性影响下超高频变换器参数设计的准确度及效率。
[0022]
2、本发明公开的方法可通过编程实现，计算速度快，可快速获得不同输入电压、输出电压组合下的开关管输出端等效电容值。
附图说明
[0023]
图1为本发明方法公开实例的流程图。
[0024]
图2为本发明方法公开实例所搭建获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路示意图。
[0025]
图3为本发明方法公开实例中步骤s4所获得的超高频运行开关管输出端电压波形。
[0026]
图4为本发明方法公开实例所采用的超高频谐振变换器电路示意图。
[0027]
图5为本发明方法公开实例中超高频谐振变换器第1组参数对应的电感电流、驱动信号、超高频运行开关管输出端电压波形图。
[0028]
图6为本发明方法公开实例中超高频谐振变换器第2组参数对应的电感电流、驱动信号、超高频运行开关管输出端电压波形图。
[0029]
图7为本发明方法公开实例中超高频谐振变换器第3组参数对应的电感电流、驱动信号、超高频运行开关管输出端电压波形图。
具体实施方式
[0030]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
如图1所示，本实施例公开了一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，包括以下步骤：
[0032]
s1、搭建获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路；所述超高频运行开关管指的是在超高频(数十mhz)谐振变换器中运行的开关管；所述输出端指的是开关管漏极和源极之间。
[0033]
如图2所示，所述电路包含电源、电感和超高频运行开关管；其中，所述电源正极与电感一端连接，所述电感另一端与超高频运行开关管的漏极连接，超高频运行开关管的栅极、源极与电源负极连接。
[0034]
s2、列写步骤s1所述电路的状态变量的微分方程组，如式(1)所示：
[0035][0036]
式中，i
lr
为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容电路中的电感电流；v
ds
为开关管输出端电压；lr为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容电路中的电感值；v
in
为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容电路中的电源电压；c
oss
为开关管输出端寄生电容，其与输出端电压之间存在非线性关系；i
lr
(0)为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容电路中电感电流的初始值，且设为零；v
ds
(0)、vr为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容电路中开关管输出端电压的初始值，且该值为根据实际变换器工作需要给定。
[0037]
s3、获得开关管输出端寄生电容与开关管输出端电压之间的数学表达式，并将其代入步骤s2所述的微分方程组。
[0038]
进一步，以宜普公司(epc)生产的型号为epc2016c的硅基氮化镓开关管为例，根据器件生产商所提供的spice模型描述语句，根据电容储存电荷和电容两端电压的关系，可推导出开关管输出端寄生电容与开关管输出端电压之间的数学表达式为：
[0039][0040]
式中系数k1～k
20
的值由器件生产商所提供的spice模型描述语句给定。对于实施案例所选择的器件epc2016c，其值如下表所示：
[0041][0042][0043]
s4、求解经步骤s3后所得的微分方程组，获得超高频运行开关管输出端电压数值计算结果。
[0044]
由于所述微分方程组为非线性微分方程组，难以获得解析解，故采用数值解法获得系统状态变量变化情况。本发明公开实例采用单步欧拉法建立定不长数值迭代模型，如下式所示：
[0045]
x
n+1
＝(a
·
xn+b
·vin
)te+xn(n＝0,1,2
…
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0046]
式中，te为迭代计算步长；xn＝[i
lr
(n) v
ds
(n)]
tr
为第n次迭代计算后所得系统状态变量数值结果；x
n+1
＝[i
lr
(n+1) v
ds
(n+1)]
tr
为第n+1次迭代计算后所得系统状态变量数值结果；及为系数矩阵，v
in
为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容电路中的电源电压。
[0047]
优选的，选择电源v
in
＝10v、计算步长te＝1ps、迭代计算次数n＝12000次、电感lr＝47nh、电感电流初始值i
lr
(0)＝0、超高频运行开关管输出端初始电压v
ds
(0)＝25v，则超高频运行开关管输出端电压数值计算结果如图3所示。
[0048]
s5、基于步骤s4所述超高频运行开关管输出端电压数值计算结果，求取超高频运行开关管输出端电压从初始值至首次为零所需时长。
[0049]
优选的，可通过将超高频运行开关管输出端电压数值计算结果取绝对值后再寻找最小值的方式获得超高频运行开关管两端电压v
ds
从初始值v
ds
(0)至首次过零时刻所需时长δt，则δt＝11.007ns。
[0050]
s6、将步骤s4所述时长换算为超高频运行开关管输出端等效寄生电容。
[0051]
优选的，所述时长与所述超高频运行开关管输出端等效寄生电容之间的换算关系如式(4)。
[0052][0053]
式中：c
eq
为超高频运行开关管输出端等效寄生电容，δt为开关管输出端电压从初始值至首次为零所需时长，lr为获取开关管输出端等效寄生电容的电路中的电感，v
in
为获取开关管输出端等效寄生电容的电路中的电源，v
ds
(0)为获取开关管输出端等效寄生电容的电路中开关管输出端电压初始值。
[0054]
根据式(4)并代入具体参数，可知本发明公开实例的超高频运行开关管输出端等效电容c
eq
＝487.06pf，而根据器件数据手册得到的开关管输出端寄生电容仅为279.40pf。
[0055]
进一步，为验证本发明方法的有效性，以图4所示的超高频谐振变换器为例进行仿真分析对比，电路部分参数为：输入电压v＝10v、输出电压v
out
＝24.2v、二极管压降vf＝0.8v、电感l＝47nh、占空比d＝0.4，开关管型号为epc2016c。在以上电路参数条件下，为使该变换器工作在开关管零电流及零电压开通状态下，针对不同开关管输出端寄生电容参考值，给定合适的工作频率，必要时可借助仿真软件进行辅助微调。第1～3组开关管软开关情况相关波形如图5～图7所示，仿真结果详细数据如下表所示：
[0056][0057]
从上表可见，参照本发明公开方法所获得的超高频运行开关管输出端等效寄生电容进行参数设计更加贴近ltspcie仿真结果，验证了本发明方法的有效性。
[0058]
上述实施例中开关管为hemt管，为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，即只要具有类似非线性输出电容特征的开关管即可，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、搭建获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路；s2、列写步骤s1所述电路的状态变量的微分方程组；s3、获得开关管输出端寄生电容与开关管输出端电压之间的数学表达式，并将其代入步骤s2所述的微分方程组；s4、求解经步骤s3后所得的微分方程组，获得超高频运行开关管输出端电压数值计算结果；s5、基于步骤s4所述超高频运行开关管输出端电压数值计算结果，求取超高频运行开关管输出端电压从初始值至首次为零所需时长；s6、根据步骤s5所述时长计算超高频运行开关管输出端等效寄生电容。2.根据权利要求1所述的一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，其特征在于：所述超高频运行开关管指的是在超高频即数十mhz谐振变换器中运行的开关管；所述输出端指的是开关管漏极和源极之间。3.根据权利要求1所述的一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，其特征在于：在步骤s1中，所述电路包含电源、电感和超高频运行开关管；其中，所述电源正极与电感一端连接，所述电感另一端与超高频运行开关管的漏极连接，所述超高频运行开关管的栅极、源极与电源负极连接。4.根据权利要求1所述的一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，其特征在于：在步骤s2中，所述微分方程组的电感电流初始值为零、超高频运行开关管输出端电压初始值为根据实际变换器工作需要给定。5.根据权利要求1所述的一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，其特征在于：在步骤s3中，所述开关管输出端寄生电容与开关管输出端电压之间的数学表达式是在器件生产商提供的spice模型描述语句的基础上经数学推导获得。6.根据权利要求1所述的一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，其特征在于：在步骤s4中，求解所述微分方程组的数学模型为基于单步欧拉法所建立定不长数值迭代模型。7.根据权利要求1所述的一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，其特征在于：在步骤s6中，所述时长与超高频运行开关管输出端等效寄生电容之间的关系如下式：式中：c
eq
为超高频运行开关管输出端等效寄生电容，δt为开关管输出端电压从初始值至首次为零所需时长，l
r
为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路中的电感，v
in
为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路中的电源，v
ds
(0)为获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路中开关管输出端初始电压。

技术总结
本发明公开了一种获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的方法，包括：搭建获取超高频运行开关管输出端等效寄生电容的电路；列写电路状态变量的微分方程组；获得开关管输出端寄生电容与开关管输出端电压之间的数学表达式并代入微分方程组中；获得超高频运行开关管输出端电压数值计算结果；求取超高频运行开关管输出端电压从初始值至首次为零所需时长；根据该时长推算超高频运行开关管输出端等效寄生电容。该方法可提高在开关管输出端寄生电容非线性特性影响下超高频变换器参数设计的准确度。准确度。准确度。


技术研发人员：陈艳峰 曾利彬 张波 丘东元
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2021.11.19
技术公布日：2022/3/7