本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)與電工，具體涉及一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
1、碳化硅(silicon?carbide，sic)器件作為典型的寬禁帶半導(dǎo)體器件，具有更低的導(dǎo)通電阻、更小的極間電容、更高電壓等級(jí)、更高的熱導(dǎo)率和耐高溫的優(yōu)勢(shì)，正在逐步取代傳統(tǒng)的硅基(silicon，si)功率半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于高壓、高頻、大功率航空直流變換器系統(tǒng)。然而，在高頻高速的應(yīng)用場(chǎng)景下，電路中存在較大di/dt和dv/dt，使得sic?mosfet對(duì)寄生電感參數(shù)更加敏感，在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓/電流振蕩和過(guò)沖問(wèn)題，在開(kāi)通階段會(huì)產(chǎn)生柵源電壓尖峰和開(kāi)通電流尖峰，在關(guān)斷階段會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷電壓尖峰，威脅著器件的安全可靠工作。
2、由于開(kāi)關(guān)振蕩和過(guò)沖是回路中寄生電感與電容的諧振產(chǎn)生的，因此可以通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)回路或功率回路寄生電感參數(shù)的方式，從根本上消除或減弱振蕩現(xiàn)象，進(jìn)而減小高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓/電流過(guò)沖。但目前針對(duì)sic?mosfet的pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法研究主要集中在單一的驅(qū)動(dòng)回路或功率回路，對(duì)器件性能指標(biāo)的考慮并不全面，難以有效指導(dǎo)變換器的pcb布局優(yōu)化。而驅(qū)動(dòng)回路和功率回路的寄生電感參數(shù)對(duì)sic?mosfet的性能指標(biāo)均具有顯著影響，不同寄生電感對(duì)同一性能指標(biāo)的影響存在差異，且變化趨勢(shì)各不相同，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌兼顧多項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)回路中的寄生電感進(jìn)行綜合優(yōu)化，以指導(dǎo)pcb工程設(shè)計(jì)，這對(duì)于從根本上消除或抑制器件的開(kāi)關(guān)振蕩與過(guò)沖，提升功率器件和變換器的可靠性具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，綜合考慮sic?mosfet驅(qū)動(dòng)和功率回路的寄生電感參數(shù)，并兼顧sic?mosfet的多項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)回路中的寄生電感進(jìn)行綜合優(yōu)化，充分發(fā)揮sicmosfet器件的高頻、高速、低損耗優(yōu)勢(shì)。
2、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用如下技術(shù)方案：
3、一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，包括下列步驟：
4、步驟s1：確定評(píng)估器件的性能指標(biāo)；
5、步驟s2：設(shè)置性能指標(biāo)的范圍；
6、步驟s3：定義并計(jì)算不同性能指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)；
7、步驟s4：建立并求解目標(biāo)函數(shù)，最后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)值與寄生電感參數(shù)的關(guān)系圖譜，確定sic?mosfet整體性能和損耗最優(yōu)的寄生電感取值區(qū)間。
8、進(jìn)一步的，所述步驟s1中，建立考慮寄生電感參數(shù)的sic?mosfet雙脈沖測(cè)試等效電路模型，通過(guò)開(kāi)關(guān)模態(tài)分析和仿真分析寄生電感參數(shù)對(duì)器件開(kāi)關(guān)振蕩和過(guò)沖的影響規(guī)律，確定評(píng)估器件整體開(kāi)關(guān)性能的指標(biāo)。
9、進(jìn)一步的，所述步驟s1中，基于sic?mosfet的開(kāi)關(guān)模態(tài)分析，選取柵源電壓尖峰、關(guān)斷電壓尖峰和開(kāi)通電流尖峰作為評(píng)估器件可靠性的指標(biāo)。
10、進(jìn)一步的，所述步驟s2中，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景、工況和變換器條件下的需求，設(shè)置性能指標(biāo)的范圍，所述性能指標(biāo)的范圍在最小值和目標(biāo)值之間；所述最小值為電路參數(shù)邊界條件下或理想條件下，sic?mosfet的此項(xiàng)指標(biāo)所能達(dá)到的最小值；所述目標(biāo)值為工程設(shè)計(jì)時(shí)所期望達(dá)到的指標(biāo)值。
11、進(jìn)一步的，所述步驟s3中，加權(quán)系數(shù)定義為柵源電壓尖峰、關(guān)斷電壓尖峰、開(kāi)通電流尖峰三個(gè)性能指標(biāo)隨寄生電感參數(shù)的變化率；所述寄生電感參數(shù)包括柵極寄生電感參數(shù)、漏極寄生電感參數(shù)和源極寄生電感參數(shù)。
12、進(jìn)一步的，所述步驟s3中，不同性能指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)由理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到；通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將驅(qū)動(dòng)和功率回路的寄生電感參數(shù)作為變量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到不同寄生電感參數(shù)下sic?mosfet的性能指標(biāo)值，采用線性擬合的方法得到不同性能指標(biāo)隨寄生電感參數(shù)變化的趨勢(shì)線，得出相應(yīng)的變化率，進(jìn)一步計(jì)算得到不同指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)值。
13、進(jìn)一步的，所述步驟s4中，目標(biāo)函數(shù)是由各項(xiàng)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)乘積之和構(gòu)建，能反應(yīng)sic?mosfet器件柵源電壓尖峰、關(guān)斷電壓尖峰和開(kāi)通電流尖峰的性能指標(biāo)優(yōu)化程度，目標(biāo)函數(shù)值越小，表示sic?mosfet整體性能優(yōu)化效果越好；所述性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化是指將不同的單位和數(shù)量級(jí)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱的數(shù)值。
14、進(jìn)一步的，所述步驟s4中，目標(biāo)函數(shù)的求解包括以下步驟：
15、步驟s4-1、根據(jù)sic?mosfet器件金屬引腳寄生電感典型值和工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定不同寄生電感的取值邊界；
16、步驟s4-2、建立sic?mosfet雙脈沖仿真模型，并在約束條件范圍內(nèi)采用窮舉法對(duì)不同寄生電感組合進(jìn)行仿真計(jì)算，得到器件開(kāi)關(guān)瞬態(tài)的柵源電壓尖峰、關(guān)斷電壓尖峰、開(kāi)通電流尖峰和開(kāi)關(guān)損耗值；
17、步驟s4-3、標(biāo)準(zhǔn)化處理仿真得到的性能指標(biāo)值，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，最終得到目標(biāo)函數(shù)與寄生電感參數(shù)之間的3d圖譜。
18、進(jìn)一步的，所述步驟s4中，3d圖譜坐標(biāo)軸表示柵極寄生電感、漏極寄生電感和源極寄生電感，第四維度的顏色表示目標(biāo)函數(shù)值的大小，顏色越深表示目標(biāo)函數(shù)值越大，即器件的整體性能越差；目標(biāo)函數(shù)最小值對(duì)應(yīng)器件整體開(kāi)關(guān)性能最優(yōu)的寄生電感參數(shù)取值區(qū)間。
19、進(jìn)一步的，所述步驟s4中，在整體開(kāi)關(guān)性能最優(yōu)的寄生電感參數(shù)取值區(qū)間內(nèi)結(jié)合仿真數(shù)據(jù)和圖像，基于損耗最優(yōu)原則，得到損耗最優(yōu)的寄生電感參數(shù)優(yōu)化區(qū)間。
20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
21、1、本發(fā)明提出的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法綜合考慮了sic?mosfet驅(qū)動(dòng)和功率回路的寄生電感參數(shù)，以器件的多項(xiàng)性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，能夠最大化器件的可靠性優(yōu)勢(shì)；
22、2、本發(fā)明提出的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法在保證器件高速開(kāi)關(guān)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，并不會(huì)增大器件的開(kāi)關(guān)損耗，可有效抑制開(kāi)關(guān)振蕩和過(guò)沖；
23、3、本發(fā)明提出的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法給出了明確的寄生電感參數(shù)優(yōu)化流程，可得到使得sic?mosfet的整體性能最優(yōu)和損耗最低的寄生電感取值區(qū)間，對(duì)于變換器的pcb布局優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。
1.一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，包括下列步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s1中，建立考慮寄生電感參數(shù)的sic?mosfet雙脈沖測(cè)試等效電路模型，通過(guò)開(kāi)關(guān)模態(tài)分析和仿真分析寄生電感參數(shù)對(duì)器件開(kāi)關(guān)振蕩和過(guò)沖的影響規(guī)律，確定評(píng)估器件整體開(kāi)關(guān)性能的指標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s1中，基于sic?mosfet的開(kāi)關(guān)模態(tài)分析，選取柵源電壓尖峰、關(guān)斷電壓尖峰和開(kāi)通電流尖峰作為評(píng)估器件可靠性的指標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s2中，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景、工況和變換器條件下的需求，設(shè)置性能指標(biāo)的范圍，所述性能指標(biāo)的范圍在最小值和目標(biāo)值之間；所述最小值為電路參數(shù)邊界條件下或理想條件下，sic?mosfet的此項(xiàng)指標(biāo)所能達(dá)到的最小值；所述目標(biāo)值為工程設(shè)計(jì)時(shí)所期望達(dá)到的指標(biāo)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s3中，加權(quán)系數(shù)定義為柵源電壓尖峰、關(guān)斷電壓尖峰、開(kāi)通電流尖峰三個(gè)性能指標(biāo)隨寄生電感參數(shù)的變化率；所述寄生電感參數(shù)包括柵極寄生電感參數(shù)、漏極寄生電感參數(shù)和源極寄生電感參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s3中，不同性能指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)由理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到；通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將驅(qū)動(dòng)和功率回路的寄生電感參數(shù)作為變量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到不同寄生電感參數(shù)下sic?mosfet的性能指標(biāo)值，采用線性擬合的方法得到不同性能指標(biāo)隨寄生電感參數(shù)變化的趨勢(shì)線，得出相應(yīng)的變化率，進(jìn)一步計(jì)算得到不同指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s4中，目標(biāo)函數(shù)是由各項(xiàng)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)乘積之和構(gòu)建，能反應(yīng)sic?mosfet器件柵源電壓尖峰、關(guān)斷電壓尖峰和開(kāi)通電流尖峰的性能指標(biāo)優(yōu)化程度，目標(biāo)函數(shù)值越小，表示sic?mosfet整體性能優(yōu)化效果越好；所述性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化是指將不同的單位和數(shù)量級(jí)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱的數(shù)值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s4中，目標(biāo)函數(shù)的求解包括以下步驟：
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s4中，3d圖譜坐標(biāo)軸表示柵極寄生電感、漏極寄生電感和源極寄生電感，第四維度的顏色表示目標(biāo)函數(shù)值的大小，顏色越深表示目標(biāo)函數(shù)值越大，即器件的整體性能越差；目標(biāo)函數(shù)最小值對(duì)應(yīng)器件整體開(kāi)關(guān)性能最優(yōu)的寄生電感參數(shù)取值區(qū)間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多目標(biāo)加權(quán)的變換器pcb寄生電感參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s4中，在整體開(kāi)關(guān)性能最優(yōu)的寄生電感參數(shù)取值區(qū)間內(nèi)結(jié)合仿真數(shù)據(jù)和圖像，基于損耗最優(yōu)原則，得到損耗最優(yōu)的寄生電感參數(shù)優(yōu)化區(qū)間。