基于开关瞬态高频振荡特征的寄生参数提取原理与实现方法研究

寄生参数是影响电力电子系统安全运行与效率优化的重要因素。该文提出一种基于开关瞬态高频振荡特征的寄生参数提取方法。与利用开关瞬态中电压、电流变化斜率的现有方法相比,基于振荡特征的参数提取方法对开关瞬态波形幅值测量准确度以及通道采样同步等方面的要求低,因此对信号衰减与延迟等问题具有较高的鲁棒性。该文首先对器件关断激发的漏源极之间的瞬态振荡进行详细数学推导。然后,讨论由寄生电感、寄生电容与器件共同构成的二阶以及四阶电路的振荡行为,归纳出参数提取方法并详细讨论对应的硬件与算法设计。为验证所提方法的通用性与有效性,以电力电子全换流回路中各组成部件为对象进行验证。在铜片、叠层母排、母线支撑电容、汇流铜条以及半导体功率模块等部件进行寄生参数提取,实际效果表明该方法能提取10 nH数量级的微量寄生参数,且参数辨识的一致性高,具有操作简明、提取误差小等优势。

一种低寄生参数高功率密度GaN半桥模块研究

针对高频环境下寄生参数引起氮化镓(GaN)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关损耗大的问题,提出一种基于GaN开关器件的半桥电路集成方案。该方案的实现基于寄生参数较低的高功率密度GaN半桥模块(GS66516T),通过有限元分析提取寄生参数联合电气模型参数仿真分析,从而实现驱动电路和功率环路的优化设计。最后,研制一台4kW两相交错并联降压变换器原理样机,并搭建双脉冲测试(DPT)平台用于分析测试实验中寄生参数对开关过程的影响。实验结果表明,该样机可实现功率密度536.19 W/in^(3),峰值效率97.65%,并具有较好的动态开关特性。

计及非线性寄生参数的SiC MOSFET开关暂态模型

针对SiC分析模型忽略高频欠阻尼振荡和非线性寄生参数,导致开关暂态电压/电流误差较大的问题,提出一种计及非线性寄生参数的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关暂态分析模型。首先,根据SiC器件开关过程不同状态建立状态方程。其次,提取非线性结电容和沟道电流变化曲线。基于离散状态变量分析方法,实现状态方程间的转换和非线性寄生参数的更新。最后,将状态方程的迭代输出结果以受控电压源/电流源的形式转换为相应的电路输出,实现计及非线性寄生参数的SiC MOSFET器件开关暂态分析建模,通过双脉冲实验对分析模型开关特性进行验证。

电磁寄生参数对SAW滤波器性能的影响

设计了B41频段的声表面波(SAW)滤波器,利用三维电磁场仿真工具HFSS建立表面贴装器件(SMD)封装和芯片级(CSP)封装模型,对比两种封装的声-电磁联合仿真结果得出,在滤波器电路拓扑结构中,当2条不同并联支路连接在一起时,由于SMD封装键合引线的电磁寄生参数影响,滤波器在高频处的带外抑制会出现“上翘”。建立不同键合线数量、直径及长度的SMD封装模型,并仿真计算S参数。对比仿真结果可知,随着键合线直径的增大和长度的减小,其等效电感逐渐变小,即键合线的电磁寄生参数逐渐减小,对SAW滤波器性能的影响逐渐减弱,高频处的带外抑制性能得到优化。结果表明,CSP封装植球倒扣的电磁寄生参数更小,声-电磁联合仿真的结果更优,与实测结果吻合较好。

寄生参数对基于常通型SiC JFET器件的中压直流固态断路器过电压的影响及抑制方法

研究了寄生电感对基于常通型碳化硅(silicon carbide,SiC)结型场效应晶体管(junction field effect transistor,JFET)串联结构的中压直流固态断路器(solid state circuit breaker,SSCB)过电压的影响,并在此基础上提出了一种SSCB的过电压抑制方法。首先介绍了基于常通型SiC JFET器件串联结构的SSCB拓扑及工作原理,建立了考虑完整回路寄生电感的SiC JFET串联结构开关过程的数学模型。其次利用MATLAB软件对数学模型进行解析计算,揭示了SSCB开关过程中寄生电感对SiC JFET器件串联运行时过电压的影响机理,并利用PSPICE仿真结果验证了理论分析的正确性。最后设计了一种适用于SSCB过电压抑制的单栅极驱动及缓冲电路,并通过SSCB实验样机验证了所提方法的有效性。

抗寄生参数变动的无电流采样图腾柱PFC控制

针对无电流采样图腾柱功率因数校正(PFC)采用占空比直接计算受寄生参数变动影响导致输入电流畸变的问题,此处提出一种抗寄生参数变动的无电流采样控制策略。首先分析图腾柱PFC的工作原理,建立开关平均等效模型,由此推导包含寄生参数的占空比表达式;然后分析输入电流与输出低频纹波电压之间的关系,通过控制低频纹波角频率与移相角来改善输入电流波形;最后搭建样机完成稳态和瞬态测试。在额定功率为1 000 W时,实现400V的恒压输出和0.998的功率因数,变换器效率可达98.35%。

寄生参数对脉冲变压器输出波形影响:分析与验证

根据快速响应脉冲变压器的技术指标,采用等效电路解析方法,从理论上分析了变压器寄生参数对输出脉冲波形的上升沿、平顶以及下降沿阶段的影响规律,发现变压器漏感和寄生电容越小,输出脉冲波形的延迟时间越短;漏感和寄生电容越大,输出脉冲波形的上升沿和下降沿越平缓,过冲幅值越大。并依据理论分析设计了一种漏感和寄生电容较小的脉冲变压器结构,通过有限元仿真分析漏感和寄生电容,搭建样机并用阻抗分析仪测量其等效励磁阻抗和寄生参数。而后用多阶串并联RL模型拟合测量的曲线,将拟合后的多阶串并联RL模型在Saber中仿真,获得延迟时间,验证了理论计算的正确性,最后采用电容放电的方式得到对应的延时时间,过冲和顶降,可以为脉冲变压器的设计提供参考依据。

寄生参数对逆变器共模干扰的影响

为了有效抑制共模干扰信号,通过理论分析逆变器中共模干扰形成的原因以及通过逆变器的结构分析逆变器中存在的寄生参数,并且通过电路原理和数学研究共模电压、共模电流与不同寄生参数的关系,得到了对交流测共模电流以及共模电压影响突出的寄生参数,最后通过仿真验证分析结论的正确性,对共模干扰抑制方法具有实际指导和应用价值。

寄生参数对IGBT关断浪涌电压影响的仿真建模

IGBT作为能源变换与传输的核心器件具有良好的载流与抗压能力,在轨道交通、电力系统等行业领域应用非常广泛。以建模仿真的方式模拟浪涌电压实际运行性能,深入研究其特性,可为提高功率器件系统的安全性与稳定性提供依据。文中通过有限元法求解电磁准静态场提取单桥臂回路各器件的寄生参数,并结合IGBT器件静态、动态特性建立了精确的单桥臂电路模型。通过对比不同精度模型的仿真计算结果表明,寄生参数对于浪涌电压的幅值大小和振荡具有不可忽视的影响,在电路优化设计中应予以充分的关注。该精确模型具有精准、易调控的特点,仿真结果对IGBT功率器件精确的损耗计算、可靠的电磁兼容设计及评估潜在风险具有指导性意义。

全桥变换器中寄生参数对传导干扰的影响

以全桥变换器为例 ,对其主要元器件的寄生参数进行测试 ,运用 CADENCE软件提取印刷电路板上主要印制线的寄生参数。本文分析了全桥变换器主要寄生参数对电路噪声的影响 ,为开关型变换器的电磁兼容性研究打下了良好的基础。在 SABER仿真环境中对传导性电磁干扰的噪声进行了仿真 ,结果表明 ,寄生参数对噪声的影响明显。

开关电源中印刷电路板寄生参数对传导电磁干扰影响的研究

研究了开关电源中印刷电路板寄生参数及功率器件瞬态特性产生的传导电磁干扰现象。针对半桥型DC/DC变换器电路拓扑,使用Cadence软件中的SpecctraQuest工具提取了印刷电路板上主要印制线的寄生参数,通过噪声等效电路模型的仿真计算,表明高频情况下印刷电路板寄生参数对传导电磁干扰有较大的影响。最后,对两台原理样机(仅 印刷电路板布线不同)的工作波形进行了实验测试,实验结果表明功率器件开通和关断瞬间形成的电压和电流突变而造成的高频振荡现象与电路杂散参数有关。最后,对两台原理样机(仅印刷电路板布线不同)的工作波形进行了实验测试,实验结果表明功率器件开通和关断瞬间形成的电压和电流突变而造成的高频振荡现象与电路杂散参数有关,说明在不改变原理电路的条件下,通过合理设计印刷电路板布线可以有效提高开关电源的EMC性能。

MW级光伏逆变器主回路寄生参数的影响与抑制

建立了兆瓦级光伏逆变器主回路寄生参数等效模型,分析了各种寄生参数对IGBT工作状态的影响,设计了一种能有效减小寄生电感的低感层叠母排,提出了减小主回路寄生电感及抑制寄生电感所带来的过电压问题的综合设计方法。最后,对所提出的设计方法进行了实验验证,结果表明所设计层叠母排可有效减小回路寄生电感,合理的过电压抑制方法可有效提高器件安全性。

寄生参数对半导体激光器直接调制特性的影响

通过理论推导和模拟计算,给出激光器调制带宽和其它参数之间的关系。分析了不同张驰振荡频率、衰减系数和寄生参数下的调制特性。结果表明当寄生参数过大时,激光器的3 dB调制带宽主要受寄生参数限制,因而只能在解决了寄生参数限制的前提下,通过对器件的有源区和结构进行优化才能获取高的3 dB调制带宽。对于制作的聚酰亚胺埋沟掩埋激光器和AlGaInAs脊型波导激光器其最大3 dB调制带宽分别为5 GHz和8.5 GHz,定性地解释了两类半导体激光器调制特性的测试结果。

基于“负参数”理论的EMI滤波器寄生参数的双重消除

EMI滤波器是抑制传导电磁干扰的有效器件,但分立元件的自有寄生参数对其高频段性能有重要影响。本文利用两个同侧耦合电感器等效出"负电感"和在电感器中心处连接电容器等效出"负电容"的方法,消除滤波器中的寄生电感和寄生电容。为有效控制二次寄生参数对消除效果的影响,设计了一种新型平面"消除器"和双线并绕串联结构的电感器,其中前者为上、下交错排列的PCB导线构成的圆形线圈,采用3D有限元法计算了两交错线圈的互感,为设计该类消除器提供了一种数值计算方法;后者通过高耦合度的线圈中间节点与地之间接一4倍于寄生电容的电容器,可有效消除电感器的一次及二次寄生电容。将此类具有消除器的元件应用于EMI共模滤波器,以此消除对应的寄生参数,实验表明滤波器的高频性能得到了明显改善。

EMI滤波器高频寄生参数分析

开关电源的高功率密度、高开关工作频率和紧凑结构,对其电磁兼容提出了更高的要求,为了设计高性能的EMI滤波器。建立了电感、电容的高频等效电路,并分析了电感、电容随频率变化的特性曲线;通过分析传导干扰共模和差模的两种基本形式,建立了EMI滤波器相应的等效电路模型,并应用PSpice电路仿真软件分析了寄生参数对电磁干扰(Electromagnetic interference,EMI)滤波器插入损耗的影响。仿真结果表明,电感器高频等效并联电容(Equivalentparallel capacitor,EPC)、电容器高频等效串联电感(Equivalent parallel inductor,ESL)明显降低了EMI滤波器的高频插入损耗,为高性能滤波器的设计及插入损耗的计算提供重要的技术和数据参考。

考虑寄生参数的集成电路ESD损伤仿真方法

在传统的基于设计电路的ESD(Electro-Static Discharge)损伤仿真中,通常不考虑版图物理结构的影响,其仿真结果往往与实际损伤情况出现较大偏差,因此提出了一种考虑版图设计中寄生参数的集成电路ESD损伤的仿真方法.首先给出了仿真应用的具体分析流程.然后按照经验公式提取法明确了各种寄生参数的计算模型.最后,以集成运算放大器LM741为例,对其进行了ESD损伤模拟,再通过击打实验、失效定位与电性能测试,结果表明:仿真与实验结果具有较好的一致性,验证了该方法的有效性.

关于寄生参数对级联稳定性影响的研究

针对分布式电源系统级联稳定性问题,对于带有寄生参数的典型拓扑(Buck电路、Boost电路和Buck-Boost电路)进行了小信号建模方面的归纳,对于寄生参数对单级系统的稳定性影响进行了研究,同时,基于Middlebrook稳定性判据,研究了寄生参数对输入阻抗和输出阻抗的影响,进而提出了寄生参数在级联系统中的作用和允许范围。研究结果表明,适当的寄生参数对改善单级系统的稳定性和改善级联系统的稳定性有积极作用,实际电路的特性由于这些寄生参数的影响会略好于理想情况。研究结果对于带有寄生参数的实际电路级联稳定性的设计有指导意义。

寄生参数对大功率高频变压器传输特性的影响机理及优化方法

基于高频变压器模型的Y参数矩阵,分析寄生参数对大功率高频变压器传输特性的影响机理,并通过改进变压器结构设计优化寄生参数,改善传输特性。定义了传输极点频率f_u,即高压侧开路时电压传输函数极点对应的频率,定量评估了寄生参数导致的大功率高频变压器传输特性的频变效应,并揭示了传输特性与阻抗特性间的关联关系。利用一台大功率高频变压器原型机,验证了寄生参数对传输特性影响机理分析的有效性。在此基础上,通过采用"三明治"绕组结构和添加静电屏蔽层的方法减小了变压器漏感和寄生电容,提高了传输极点频率f_u,使得变压器工作频率处的电压变比更加接近设计变比。对于寄生参数效应作用下大功率高频变压器传输特性分析及其优化方法研究具有一定指导意义。

一种PCB的寄生参数提取模型及优化设计

为改善印刷电路板线路的电磁干扰性能,提出了一种半桥准谐振变换器印刷电路板寄生参数的提取及优化的方法;该方法主要分析了此类印刷电路板设计中,如何采取合理地进行布局和正确地设置平行线的间距与线宽,隔离噪音敏感的组件,以减少电磁干扰,并通过仿真确保电路的物理结果与原理设计的一致性;仿真结果验证了该分析方法能够有效地降低半桥准谐振变换器印刷电路板上的电磁干扰噪声水平,从而可以缩短设计周期并提高产品的质量。

考虑高频寄生参数继电器EFT干扰机理分析

为研究考虑主回路高频寄生参数条件下,电磁继电器电快速脉冲群干扰产生机理,在火花放电理论基础上,提出了引入集总高频等效参数的分析方法。分别对触点断开过程中的三个阶段进行了求解,建立了能够反映电磁继电器触点断开感性负载过程中的瞬态电接触动态数学新型模型。相比传统分析方法只给出基频击穿表达式,而无法反映EFT干扰的高频特性,新模型能够反映主回路中高频寄生参数对EFT干扰特性在宽频范围内的影响,并能够解释气体击穿区继电器触点两端产生负向电压这一特殊现象。通过几组实验分析了各主要参数对EFT干扰特性的影响,并且验证了模型的正确性。