一种SiCMOSFET近区电磁场建模方法
本发明涉及电力电子电磁辐射技术领域，尤其涉及一种sicmosfet近区电磁场建模方法。
背景技术：
近年来，智能电网与分布式能源的快速发展，带动了电力电子设备与器件不断突破。宽禁带半导体是继第一代硅半导体、第二代坤化镓化合物半导体之后发展的第三代半导体器件，最具代表性的就是碳化硅(sic)器件。sic功率器件相比普通si器件阻断电压高、通态电阻低、开关损耗小，具有更高的开关频率与工作温度。但是开关频率的增加会产生更强的电磁辐射，对附近的信号线与电力电子器件造成电磁干扰，不仅会对电磁敏感设备、产品的安全性与可靠性产生危害还会对人类及生态产生不良影响。
电力电子设备与器件的电磁干扰不断增加，但是国内与国际上电磁兼容标准越来越严格，这对于电力电子的电磁设计提出了更高的要求。电力电子电磁兼容设计主要依靠工程师的设计经验，将产品设计出来后在实验室中多次进行电磁兼容实验，解决了实验展现出来的问题后再次进行实验，不仅设计周期长，研发成本也高。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种sicmosfet近区电磁场建模方法，在研发期间就可以对器件近区电磁场进行预测，从而减少实验次数，降低研发成本。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
本发明提供了一种sicmosfet近区电磁场建模方法，包括：
建立spice模型，根据spice模型建立仿真电路，得到sicmosfet三个引脚的时域电流；
对引脚的时域电流进行傅里叶分解与频谱分析，将时域电流分解成不同频率的正弦分量；
对每个正弦分量沿着引脚方向求解动态位，得到各正弦分量的动态位；
基于动态位，计算各频率正弦分量引起的磁感应强度与电场强度，并由磁感应强度计算得到磁场强度；
对各频率正弦分量引起的磁场强度与电场强度分别进行累加，得到各引脚的近区磁场强度与电场强度；
根据sicmosfet引脚的三维分布，对三个引脚的电磁场进行修正叠加，推导出sicmosfet的近区电磁场。
进一步地，所述spice模型根据开关器件的型号与数据手册建立，包括功率器件的静态模型与动态模型。
进一步地，对每个正弦分量沿着引脚方向求解动态位，得到各正弦分量的动态位公式如下：
式中：(x,y,z)为空间中的场点；μ为磁导率；
进一步地，计算磁感应强度公式为：
式中：
引脚上第k正弦分量在场点(x,y,z)引起的磁感应强度为：
式中：ωk为第k正弦分量的角频率；
进一步地，由磁感应强度计算磁场强度的公式如下：
式中：h为磁场强度。
进一步地，计算各频率正弦分量引起的电场强度的公式如下：
式中：
g1、g2、g3为中间量，满足：
引脚上第k正弦分量在场点(x,y,z)引起的电场强度矢量为：
进一步地，对各频率正弦分量引起的磁场强度与电场强度分别进行累加，得到各引脚的近区磁场强度与电场强度的公式为：
式中：h为引脚上总电流引起的的近区磁场强度；hk为引脚上第k次正弦分量引起的近区磁场强度；e为引脚上总电流引起的近区电场强度；ek为引脚上第k次正弦分量引起的近区电场强度。
进一步地，根据sicmosfet引脚的三维分布，对三个引脚的电磁场进行修正叠加的公式如下：
式中：dgd为栅极引脚与漏极引脚之间的距离；dds为漏极引脚与源极引脚之间的距离；hg、hd、hs分别为栅极引脚、漏极引脚和源极引脚上电流引起的磁场强度；eg、ed、es分别为栅极引脚、漏极引脚和源极引脚上总电流引起的近区电场强度
本发明的有益效果如下：
本发明结合了电路与电场的方法，场路协同建立了sicmosfet近场区电场强度与磁场强度的精确计算模型。
采用了功率器件的spice模型，能够表示功率器件的动态特性与开关波形，以及其引起的电磁场，提高了模型的精确度。
将复杂的时域电流分解成频域内不同频率的电流，化简了复杂的时域电流，再通过不同频率电流计算电场与磁场分量，在保证了精确度的前提下降低了建模难度。
以麦克斯韦方程组为基础，通过动态位求解sicmosfet每个引脚上的近区电磁场，并进行叠加，能够对三维近场区的电磁场进行建模，通过编程计算可以进一步实现可视化，直观地表现出电磁场，对电磁兼容设计起指导作用，减少研发周期，降低设计成本。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的sicmosfet近区电磁场建模方法中的sicmosfet的spice模型图；
图2为根据本发明实施例提供的sicmosfet近区电磁场建模方法中的sicmosfet封装尺寸图；
图3为根据本发明实施例提供的sicmosfet近区电磁场建模方法中的sicmosfet电路图；
图4为根据本发明实施例提供的sicmosfet近区电磁场建模方法中的sicmosfet引脚电流图；
图5为根据本发明实施例提供的sicmosfet近区电磁场建模方法中的sicmosfet漏极引脚电路频谱图；
图6为根据本发明实施例提供的sicmosfet近区电磁场建模方法中的ipp65r190c7封装尺寸图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出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。
本发明提供一种sicmosfet近区电磁场建模方法，以infineon公司的ipp65r190c7型sicmosfet为例建立近场电磁场模型，具体步骤包括：
1、根据开关器件的型号与数据手册建立对应的spice模型。
2、使用步骤1中的spice模型建立如图3所示的仿真电路，得到sicmosfet三个引脚的时域栅极电流ig、漏极电流id、源极电流is，如图4所示。
3、对上述三端电流进行傅里叶分解与频谱分析，可以将ig、id、is分解为多种正弦电流之和。如图5所示，以id的频谱为例，漏极电流基本上可以分解为
id＝0.043sin(ω1t+2.71)+0.021sin(ω2t+0.58)+0.0079sin(ω4t+5.89)+0.0098sin(ω5t+3.74)
其中ω1＝20000π,ω2＝40000π,ω4＝80000π,ω5＝100000π
4、对各电流正弦分量沿着引脚方向(竖直方向)进行积分，求解动态位，得到各电流正弦分量引起的的动态位，以漏极电流的基波为例，动态位为：
上述公式中(x,y,z)为空间中的场点，μ为磁导率，
5、计算该正弦电流分量在时间t＝1s时，空间坐标(0.05,0.05,0.11)处引起的磁感应强度
bx＝3.9047×10-14t
by＝-3.9047×10-14t
bz＝0t
6、根据磁感应强度计算磁场强度
7、计算该正弦电流分量在时间t＝1s时，空间坐标(0.05,0.05,0.11)处引起的电场强度
在时间t＝1s时，空间坐标(0.05,0.05,0.11)处的电场强度为：
e＝(-2.2101×10-8ex-2.2101×10-8ey-1.9603×10-6ez)n/c
根据上述流程可以计算出漏极引脚电流其余正弦分量在时间t＝1s时，空间坐标(0.05,0.05,0.11)处的磁场强度(单位：t)和电场强度(单位n/c)为：
h2＝-1.2730×10-7ex+1.2730×10-7ey
e2＝4.5272×10-8ex+4.5272×10-8ey+1.5905×10-5ez
h4＝-8.5294×10-8ex+8.5294×10-8ey
e4＝1.5167×10-8ex+1.5167×10-8ey+2.1261×10-5ez
h5＝3.1678×10-9ex-3.1678×10-9ey
e5＝-4.5603×10-10ex-4.5603×10-10ey-9.8673×10-7ez
14、将各个正弦分量引起的电场强度与磁场强度分别进行叠加，则可以得到在时间t＝1s时，空间坐标(0.05,0.05,0.11)处漏极引脚上总电流引起的电场强度与磁场强度。
hd＝-1.7835×10-7ex+1.7835×10-7ey
ed＝3.7888×10-8ex+3.7888×10-8ey+3.4218×10-5ez
根据上述方法对分别漏极和栅极电流引起的电场强度和磁场强度进行计算，得到结果：
hs＝1.2944×10-8ex-1.2944×10-8ey
es＝-2.9854×10-8ex-2.9854×10-8ey+1.1009×10-5ez
hg＝4.6900×10-8ex-4.6900×10-8ey
eg＝3.8538×10-8ex+3.8538×10-8ey-2.7904×10-5ez
15、根据sicmosfet器件的三维空间引脚分布对三个引脚上传导电流引起的近区电磁场进行修正后叠加，能得到器件周围的近区电磁场。对于图1中的引脚分布，以漏极引脚为z轴，栅极引脚处于x＝0,y＝-dgd处，源极引脚处于x＝0,y＝dds处，其中，dgd为栅极引脚与漏极引脚之间的距离，dds为漏极引脚与源极引脚之间的距离。修正叠加公式为：
结果为：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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