一种提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法与流程

本发明属于逆变器领域，更具体地，涉及一种提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法。

背景技术：

宽禁带半导体碳化硅(sic)功率器件具有功率密度大、开关损耗小、适合高频工作、高温稳定性好等优点，最近十年碳化硅电力电子器件得到了飞速的发展，主流半导体厂商都投入相关的研发和生产。但由于碳化硅器件开关速度很快，由此引起的尖峰电压可能会对驱动信号产生影响，甚至危及设备及人身安全。因此，需要对逆变器内部的寄生参数进行提取，进而确定所需采取的降低寄生参数的措施，以提高电磁兼容性。

目前，往往是在逆变器成品加工出来后利用阻抗分析仪等仪器对寄生参数，在设计过程中却没有采取相应的措施准确提取逆变器的寄生参数，这样不仅会提高生产成本，还会提高返工几率，从而延长制作周期。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法，其目的在于，在逆变器的设计过程中通过软件仿真的方法准确提取逆变器的寄生参数，以降低生产成本，并缩短制作周期。

为实现上述目的，本发明提供了一种提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法，包括如下步骤：

(1)获得碳化硅逆变器的物理结构参数，并由此建立逆变器的三维模型，从而得到基础三维模型；

(2)在基础三维模型中设置导体的材料属性以及电流流入位置和电流流出位置；仿真电路运行情况，以提取直流母排正负极板的寄生电感和寄生电阻，以及各开关管的寄生电感和寄生电阻；

(3)在基础三维模型中设置导体的材料属性，并分别设置正直流母线与参考地之间、负直流母线与参考地之间以及逆变器各桥臂中点与散热器之间的电压差；仿真电路运行情况，以提取正直流母线与参考地之间、负直流母线与参考地之间以及逆变器各桥臂中点与散热器之间的寄生电容；

其中，碳化硅逆变器中各开关管均为碳化硅mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)。

进一步地，步骤(2)中，提取直流母排正负极板的寄生电感和寄生电阻，以及各开关管的寄生电感和寄生电阻，包括：

对于任意一相桥臂，将桥臂上开关管漏极至正直流母线之间的桥臂部分划分为第一段，将桥臂上开关管源极至桥臂中点之间的桥臂部分划分为第二段，将桥臂下开关管漏极至桥臂中点之间的桥臂部分划分为第三段，将桥臂下开关管源极至负直流母线之间的桥臂部分划分为第四段；分别提取每一段的寄生参数；

由于开关管的运行情况难以准确仿真，将各桥臂划分为不包含开关管的多个分段，并采用分段提取的方法分别提取桥臂每一段的寄生参数，能够提高所提取的寄生参数的准确度。

进一步地，步骤(2)和步骤(3)中，所设置的导体的材料属性为导体电导率；由于不同材质的导体具有不同的电导率，并且在提取寄生参数的过程中，电导率是非常重要的参量，通过设置导体的电导率完成对导体材料属性的设置，能够提高所提取的寄生参数的准确度。

进一步地，步骤(1)中，建立逆变器的三维模型时所采用的三维建模软件为solidworks；solidworks使用了windowsole技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核以及良好的与第三方软件的集成技术，并且组件繁多，因此功能较为全面，能够对sicmosfet内部结构进行精确建模，从而确保提取的寄生参数的精确度。

进一步地，步骤(2)中，提取直流母排正负极板的寄生电感和寄生电阻，以及各开关管的寄生电感和寄生电阻时，所采用的有限元场求解器为ansysq3d；ansysq3d是一种准静态的电磁场仿真软件，能够在特定的频率范围内提供准确的仿真结果，采用ansysq3d提取逆变器中的寄生电阻和寄生电感，能够提高提取寄生参数的准确度。

进一步地，步骤(3)中，提取正直流母线与参考地之间、负直流母线与参考地之间以及逆变器各桥臂中点与散热器之间的寄生电容时，所采用的电磁场分析软件为ansoftmaxwell；ansoftmaxwell具有向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器，使用ansoftmaxwell进行电磁分析并由此提取寄生电容，能够确保提取的寄生电容的精确度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明所提供的提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法，根据碳化硅逆变器的物理结构参数建立逆变器的三维模型，并进一步通过仿真分别提取逆变器中的寄生电阻和寄生电感，以及寄生电容，能够在碳化硅逆变器的设计过程中就提取到逆变器的寄生参数，从而在研发实际结构过程中大大降低返工几率，缩短制作周期，并降低制作成本。

(2)本发明所提供的提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法，在提取逆变器的寄生电阻和寄生电感时，将各桥臂划分为不包含开关管的多个分段，并采用分段提取的方法分别提取桥臂每一段的寄生参数，由于开关管的运行情况难以准确仿真，采用分段提取的方法能够提高所提取的寄生参数的准确度。

(3)本发明所提供的提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法，通过设置导体的电导率完成对导体材料属性的设置，由于不同材质的导体具有不同的电导率，并且在提取寄生参数的过程中，电导率是非常重要的参量，因此，能够提高所提取的寄生参数的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的碳化硅逆变器中寄生参数示意图；

图2为本发明实施例提供的提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的碳化硅逆变器一个桥臂的三维模型示意图；

图4为本发明实施例提供的碳化硅逆变器一个桥臂的等效电路图；

图5为本发明实施例提供的提取桥臂上开关管的门极寄生电感和寄生电阻时所加激励的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为ac输出端，2为dc-端，3为dc+端，4为桥臂上开关管门极端，5为桥臂上开关管源极端，6为桥臂下开关管门极端，7为下桥臂源极端，8为电流流入位置，9-14为电流流出位置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，碳化硅逆变器的物理结构及需要提取的寄生参数如图1所示，其中三相桥臂上的开关管均为碳化硅(sic)mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)，需要提取的寄生参数具体包括：直流母排正、负极板寄生电感lm1、lm2，寄生电阻rm1、rm2；各碳化硅mosfet内部键线的寄生电感lg1～lg6、ls1～ls6、ld1～ld6，寄生电阻rg1～rg6、rs1～rs6、rd1～rd6；正、负直流母线与参考地之间的寄生电容cn1、cn2；sicmosfet组成的各桥臂的中点与散热器之间的寄生电容cp1～cp3。

以下以型号为cas300m12bm2的sicmosfet构成的碳化硅逆变器为例，对本发明所提供的提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法作进一步说明。

本发明提供的提取碳化硅逆变器的寄生参数的方法，如图2所示，包括如下步骤：

(1)获得碳化硅逆变器的物理结构参数，并由此建立逆变器的三维模型，从而得到基础三维模型；

在一个可选的实施方式中，建立逆变器的三维模型时所采用的三维建模软件为solidworks；solidworks使用了windowsole技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核以及良好的与第三方软件的集成技术，并且组件繁多，因此功能较为全面，能够对sicmosfet内部结构进行精确建模，从而确保提取的寄生参数的精确度；所建立的碳化硅逆变器一个桥臂的三维模型如图3所示，其中每一个开关管由六个sicmosfet芯片分别与六个续流二极管(fwd)反并联构成，对应的等效电路图如图4所示；由于三相桥臂结构相同，在此仅以一个桥臂的三维模型及对应的等效电路图为例进行说明；在图3和图4中，dc+端3外接直流电源的正极，dc-端2外接直流电源的负极，桥臂下开关管门极端6、源极端7起到外接驱动板以及测量的作用，桥臂下开关管源极端7与dc-端2相连；桥臂上开关管门极端4，源极端5用于外接驱动板以及测量，桥臂上开关管源极端5与输出端1相连；

(2)在基础三维模型中设置导体的材料属性以及电流流入和流出位置；仿真电路运行情况，以提取直流母排正负极板的寄生电感和寄生电阻，以及各开关管的寄生电感和寄生电阻；

在一个可选的实施方式中，提取直流母排正负极板的寄生电感和寄生电阻，以及各开关管的寄生电感和寄生电阻时，所采用的有限元场求解器为ansysq3d；q3d是一种准静态的电磁场仿真软件，能够在特定的频率范围内提供准确的仿真结果，采用ansysq3d提取逆变器中的寄生电阻和寄生电感，能够提高提取寄生参数的准确度；

利用ansysq3d提取参数时，需要设置电流流入流出的位置，然后生成相应网络，进行仿真；以提取桥臂上开关管的门极计生电感和寄生电阻为例，将桥臂上开关管门极4设置为电流流入位置8，将构成桥臂上开关管的各碳化硅mosfet与桥臂上开关管门极4的连接点设置为电流流出位置9-14，如图5所示；在ansysq3d中，将电流流入位置8设置为网络的source，将电流流出位置9-14均设置为网络的sink，然后利用软件自动生成网络的功能生成网络，在求解设置中将求解类型设置为交流电阻、电感，设置求解频率为1mhz，然后开始运行场求解器ansysq3d的仿真功能，ansysq3d即可计算该电路在特定运行条件下的寄生参数；

在一个可选的实施方式中，提取直流母排正负极板的寄生电感和寄生电阻，以及各开关管的寄生电感和寄生电阻，包括：

对于任意一相桥臂，将桥臂上开关管漏极至正直流母线之间的桥臂部分划分为第一段，将桥臂上开关管源极至桥臂中点之间的桥臂部分划分为第二段，将桥臂下开关管漏极至桥臂中点之间的桥臂部分划分为第三段，将桥臂下开关管源极至负直流母线之间的桥臂部分划分为第四段；分别提取每一段的寄生参数；

由于开关管的运行情况难以准确仿真，将各桥臂划分为不包含开关管的多个分段，并采用分段提取的方法分别提取桥臂每一段的寄生参数，能够提高所提取的寄生参数的准确度；

(3)在基础三维模型中设置导体的材料属性，并分别设置正直流母线与参考地之间、负直流母线与参考地之间以及逆变器各桥臂中点与散热器之间的电压差；仿真电路运行情况，以提取正直流母线与参考地之间、负直流母线与参考地之间以及逆变器各桥臂中点与散热器之间的寄生电容；

在一个可选的实施方式中，提取正直流母线与参考地之间、负直流母线与参考地之间以及逆变器各桥臂中点与散热器之间的寄生电容时，所采用的电磁场分析软件为ansoftmaxwell；ansoftmaxwell具有向导式的用户界面、精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器，使用ansoftmaxwell进行电磁分析并由此提取寄生电容，能够确保提取的寄生电容的精确度；

在以上实施例中，步骤(2)和步骤(3)中，所设置的导体的材料属性为导体电导率；由于不同材质的导体具有不同的电导率，并且在提取寄生参数的过程中，电导率是非常重要的参量，通过设置导体的电导率完成对导体材料属性的设置，能够提高所提取的寄生参数的准确度。

在利用以上方法提取碳化硅逆变器的寄生参数时，一个可选的实施过程如下：

(1)获得碳化硅逆变器的物理结构参数，并由此利用solidworks建立逆变器的三维模型，从而得到基础三维模型；将基础三维模型导出至“x_t”格式的文件中；

(2)将保存有基础三维模型的“x_t”格式文件导入至ansysq3d中；根据导体的材质在ansysq3d中设置导体的电导率，并在ansysq3d中设置电流流入位置和电流流出位置；仿真电路运行情况，以通过分段提取的方法提取直流母排正负极板的寄生电感和寄生电阻，以及各开关管的寄生电感和寄生电阻；

(3)将保存有基础三维模型的“x_t”格式文件导入至ansoftmaxwell中；根据导体的材质在ansoftmaxwell中设置导体的电导率，并在ansoftmaxwell中分别设置直流母线与参考地之间、负直流母线与参考地之间以及逆变器各桥臂中点与散热器之间的电压差；仿真电路运行情况，以提取正直流母线与参考地之间、负直流母线与参考地之间以及逆变器各桥臂中点与散热器之间的寄生电容。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。