一种基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法及系统，选取功率回路的一段线路作为检测线，且检测线为开关电流的唯一流通路径；对检测线两端的电压波形进行测量，得到测量波形；并进行平滑去噪处理和傅里叶分解，将得到的傅里叶级数作为测量波形不同频率分量下的幅值和相位；基于无源电压探头的传输特性对不同频率下的幅值和相位进行补偿，得到检测线两端电压波形在不同频率下的幅值和相位；根据检测线两端电压波形与开关电流在不同频率下的幅值和相位之间的关系求得开关电流在不同频率下的幅值和相位，对开关电流的傅里叶级数进行合成，得到开关电流的波形，完成开关电流测量。本发明专利技术对功率回路布局没有影响，易集成，能够推进宽禁带器件的广泛应用。能够推进宽禁带器件的广泛应用。能够推进宽禁带器件的广泛应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法及系统


[0001]本专利技术属于
，具体涉及一种基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法及系统。

技术介绍

[0002]电力电子技术是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术，是实现节能环保和提高人民生活质量的重要技术手段。高效率和高质量的电能变换是电力电子技术发展的终极目标，对更高效率和功率密度的需求也是电力电子技术发展的驱动力。由于已经接近材料的理论极限，传统的硅(Si)器件已经达到了其理论极限，通过继续优化Si器件来提高功率变换器性能的潜力十分有限，无法满足未来更高效率和功率密度的应用需求。新一代的宽禁带(WBG)半导体器件，如：碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件等尽管仍处于发展的初级阶段，已经显示出巨大的发展潜力。由于材料性能的优越性，例如相比Si更高的电子迁移率、更高的饱和电子速度和更高的电击穿场，使得WBG器件具有更高的开关速度和更小的通态电阻。通过使用WBG器件，可以在不增加功率损耗的前提下大幅提升开关频率，从而可以实现更高的效率和功率密度。因此，WBG器件有着极为广阔的应用前景。
[0003]然而，随着开关频率的增加，开关损耗开始在总功率损耗中占主导地位。对于快速WBG器件来说，准确评估开关损耗非常必要，其中关键是准确测量开关波形，包括开关电压和开关电流。为了准确捕捉WBG器件的快速开关瞬态(仅几纳秒)，测量系统需要有足够高的带宽来准确捕捉开关波形。例如，对于快速GaN器件来说，其典型的上升/下降沿时间仅为2ns，测量系统应具有至少(3～5)
×
175MHz的带宽。因此，对于开关电压的测量，无源电压探头TPP1000或TPP0850即可满足要求。
[0004]而开关电流的测量除了要求足够高的带宽外，还要求较小的插入阻抗。在现有的商用电流探头中，霍尔效应电流探头和罗氏线圈的带宽较低，都不能满足测量要求。例如，商用霍尔效应电流探头中带宽最高的TCP0030A探头带宽仅为120MHz，而罗氏线圈中带宽最高的TRCP0300探头带宽仅为30MHz。目前，WBG器件广泛使用的开关电流测量方法是同轴电流分流器，由于其同轴结构，带宽可以达到2GHz，其结构如图1(a)所示。然而，如图1(b)和(c)所示，同轴电流分流器较大的尺寸使其不可避免地在功率回路中引入一个显著的附加电感，如图2所示。一方面来说，增加的插入阻抗会改变开关波形，从而对测量精度产生不利影响。另一方面，由于WBG器件的高开关速度使其非常容易受到寄生电感的影响，寄生电感会导致严重的电压过冲和振铃，从而可能导致器件损坏。因此，同轴电流分流器所引入的较大的插入电感对快速WBG器件是无法接受的。
[0005]截至目前，研究学者为减小电流传感器所引入的插入电感，已经做了大量的努力和工作。其中，有研究学者通过结合同轴电流分流器的同轴结构和小尺寸的贴片电阻提出了一种表贴式同轴分流电阻，如图3所示，但插入电感仍有0.56nH左右。另一种降低插入电感的方法是使用大量的小尺寸电阻并联来测量开关电流，但由于测量回路中集肤效应和邻近效应引起的均流问题以及耦合电感，测量精度并不理想。还有学者提出了利用多层印刷
电路板(PCB)设计，在其中嵌入一个单匝线圈，如图4所示，通过利用检测线圈和功率回路之间的耦合关系进而推导出开关电流。但是，该方法中的检测线圈需要精心的设计，其后处理和校正过程也非常复杂。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法及系统，实现对WBG器件的高速开关电流的准确测量，对功率回路的布局几乎没有影响，不引入额外的插入阻抗，并且具有易集成的优点。
[0007]本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法，包括以下步骤：
[0009]S1、选取功率回路的一段线路作为检测线，且检测线为开关电流的唯一流通路径；
[0010]S2、对步骤S1确定的检测线两端的电压波形进行测量，得到测量波形；
[0011]S3、对步骤S2得到的测量波形进行平滑去噪处理；
[0012]S4、对步骤S3平滑去噪处理后的测量波形进行傅里叶分解，将得到的傅里叶级数作为测量波形不同频率分量下的幅值和相位；
[0013]S5、基于无源电压探头的传输特性，对步骤S4得到的不同频率下的幅值和相位进行补偿，得到检测线两端电压波形在不同频率下的幅值和相位；
[0014]S6、使用有限元仿真确定检测线与频率相关的寄生参数，根据频率相关的寄生参数与检测线两端电压与开关电流在不同频率下的幅值和相位之间的关系，利用步骤S5得到的检测线两端电压波形在不同频率下的幅值和相位分别求得开关电流在不同频率下的幅值和相位；
[0015]S7、利用步骤S6得到的开关电流在不同频率下的幅值和相位对开关电流的傅里叶级数进行合成，得到开关电流的波形，完成开关电流测量。
[0016]具体的，步骤S1中，将半桥电路中下开关管的源极到系统地之间的一段线路作为检测线。
[0017]具体的，步骤S2中，使用高带宽无源电压探头对检测线两端的电压波形v
sense
进行测量，使用接地弹簧作为接地方式，检测线两端的电压波形v
sense
具体为：
[0018][0019]其中，R0为检测线的直流寄生电阻，I0为开关电流的直流分量，Z
k
为检测线在第k次谐波频率下的寄生阻抗，I
k
为开关电流在第k次谐波频率下的幅值，k为谐波次数，ω为基波角频率，t为时间，为开关电流在k次谐波频率下的相位角，为检测线在第k次谐波频率下的寄生阻抗角。
[0020]具体的，步骤S3中，利用wavelet signal denoiser工具箱对测量波形v
sense
’
进行平滑去噪处理。
[0021]具体的，步骤S5中，对无源电压探头进行建模，基于建立的探头模型得到无源电压探头的传输特性，探头传输特性作为检测线电压测量值v
sense
’
和实际值v
sense
在不同频率下的幅值和相位之间的关系，对测量波形v
sense
’
的不同频率下的幅值和相位进行补偿，得到实
际的电压波形v
sense
。
[0022]进一步的，测量波形v
sense
’
具体为：
[0023][0024]其中，V0'为检测电压测量值的直流分量，V
k
'为检测电压测量值在第k次谐波频率下的幅值，k为谐波次数，ω为基频，t为时间，为检测电压测量值在第k次谐波频率下的相位角。
[0025]具体的，步骤S6中，检测线两端电压波形v
sense
与开关电流i
D2
在不同频率下的幅值和相位之间的关系具体为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选取功率回路的一段线路作为检测线，且检测线为开关电流的唯一流通路径；S2、对步骤S1确定的检测线两端的电压波形进行测量，得到测量波形；S3、对步骤S2得到的测量波形进行平滑去噪处理；S4、对步骤S3平滑去噪处理后的测量波形进行傅里叶分解，将得到的傅里叶级数作为测量波形不同频率分量下的幅值和相位；S5、基于无源电压探头的传输特性，对步骤S4得到的不同频率下的幅值和相位进行补偿，得到检测线两端电压波形在不同频率下的幅值和相位；S6、使用有限元仿真确定检测线与频率相关的寄生参数，根据频率相关的寄生参数与检测线两端电压与开关电流在不同频率下的幅值和相位之间的关系，利用步骤S5得到的检测线两端电压波形在不同频率下的幅值和相位分别求得开关电流在不同频率下的幅值和相位；S7、利用步骤S6得到的开关电流在不同频率下的幅值和相位对开关电流的傅里叶级数进行合成，得到开关电流的波形，完成开关电流测量。2.根据权利要求1所述的基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法，其特征在于，步骤S1中，将半桥电路中下开关管的源极到系统地之间的一段线路作为检测线。3.根据权利要求1所述的基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法，其特征在于，步骤S2中，使用高带宽无源电压探头对检测线两端的电压波形v
sense
进行测量，使用接地弹簧作为接地方式，检测线两端的电压波形v
sense
具体为：其中，R0为检测线的直流寄生电阻，I0为开关电流的直流分量，Z
k
为检测线在第k次谐波频率下的寄生阻抗，I
k
为开关电流在第k次谐波频率下的幅值，k为谐波次数，ω为基波角频率，t为时间，为开关电流在k次谐波频率下的相位角，为检测线在第k次谐波频率下的寄生阻抗角。4.根据权利要求1所述的基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法，其特征在于，步骤S3中，利用wavelet signal denoiser工具箱对测量波形v
sense
’
进行平滑去噪处理。5.根据权利要求1所述的基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法，其特征在于，步骤S5中，对无源电压探头进行建模，基于建立的探头模型得到无源电压探头的传输特性，探头传输特性作为检测线电压测量值v
sense
’
和实际值v
sense
在不同频率下的幅值和相位之间的关系，对测量波形v
sense
’
的不同频率下的幅值和相位进行补偿，得到实际的电压波形v
sense
。6.根据权利要求5所述的基于寄生参数的宽禁带器件开关电流测量方法，其特征在于，测量波形v
sense
’
具体为：其中，V0'为检测电压测量值的直流分量，V
k
'为检测电压测量值在第k次谐波频率下的
幅值，k为谐波次数，ω为基频，t为时间，为检测电压测量值在第k次谐波频率下的相位角。7.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，齐志远，张哲维，马早军，王振宇，汪岩，王康平，裴云庆，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：