一种共模扼流圈高频建模方法

1.本发明涉及电磁干扰滤波器的无源器件高频建模，具体涉及一种共模扼流圈高频建模方法。


背景技术：

2.随着电力电子行业的发展和氮化镓、碳化硅等新材料的逐步应用，促使电力电子器件的开关频率和功率密度不断提高，所造成的电磁干扰也越来越严重。电磁干扰不仅会降低电力电子设备本身的可靠性，而且还会污染电网，甚至会导致电网中的设备出现故障。为了抑制的电磁干扰，一般是在设备的电源线中加入 emi滤波器。但是，由于元件的寄生参数和磁芯材料的频率特性，emi滤波器的性能在一定频率以上会降低，从而导致emi抑制失败。
3.共模扼流圈是emi滤波器设计的基石，其体积一般占emi滤波器体积的 40％，则研究共模扼流圈的高频建模方法是建立emi滤波器高频等效电路的重中之重。共模扼流圈的磁芯材料通常为mn-zn铁氧体、纳米晶等磁性材料。由于共模扼流圈磁芯材料的频率特性、寄生电容和绕组的漏感，共模扼流圈的频率特性与理想值有显着差异，这也给共模扼流圈的研究带来了挑战。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的在于提供一种共模扼流圈高频建模方法，可以在不使用专业工作站的前提下，获得较高精确度的共模扼流圈高频模型。
5.技术方案：本发明的共模扼流圈高频建模方法，包括以下步骤：
6.(1)建立共模扼流圈的高频等效电路；
7.(2)利用矢量网络分析仪测量共模扼流圈的共模与差模阻抗；
8.(3)使用差分进化算法分频段处理测得的共模扼流圈的阻抗数据；
9.(4)搭建共模扼流圈高频模型。
10.步骤(1)中，所述共模扼流圈的高频等效电路分为共模部分和差模部分，包括多个共rlc并联谐振级；所述高频等效电路的输入端和输出端分别并联连接一电容c。
11.步骤(1)中，所述多个共rlc并联谐振级中每个谐振级包括一对耦合电感，将共模部分谐振级上下电感之间的耦合系数、差模部分谐振级上下电感之间的耦合系数设定为不同数值。
12.步骤(2)中，当测量共模通路的共模阻抗z
cm
时，采用的共模通路阻抗表达式为：
[0013][0014]
式中，r
ci
、l
ci
、c
ci
分别表示共模通路的电阻、电感和电容。
[0015]
步骤(2)中，当测量差模通路的差模阻抗z
dm
时，采用的差模通路阻抗表达式为：
[0016][0017]
式中，r
di
、l
di
、c
di
分别表示差模通路的电阻、电感和电容。
[0018]
步骤(3)中，在使用差分进化算法处理阻抗数据时，采用分频段的拟合方法，阻抗波形数据从开始频率到阻抗波形的第一个波谷为第一段，第一个波谷至第二个波谷为第二段，以此类推。
[0019]
步骤(3)中，所述使用差分进化算法分频段处理测得的共模扼流圈的阻抗数据，具体包括以下步骤：
[0020]
(3.1)最优参数问题转化：将由共模扼流圈等效电路拓扑获得的阻抗表达式转化为阻抗幅值z
x
的表达式，之后将z
x
作为待优化rlc参数的原始函数，测量得到的阻抗数据zm为样本；设共模扼流圈等效电路模型的共模和差模阻抗幅值 z
x
的表达式为：
[0021][0022]
式中，d表示空间尺寸，式中，d表示空间尺寸，和分别表示第j个分量xj的最大值和最小值；f表示自变量；z
x
表示因变量；x1,x2,x3,..xd表示待定参数；利用de算法对共模和差模等效阻抗的rlc参数提取，其优化准则函数由系统模型残差最小平方和建立，如下：
[0023][0024]
式中，表示测量获得的共模和差模阻抗幅值；表示共模和差模阻抗等效电路的阻抗幅值计算值；当变量q为最小值时，对应的rlc参数即为最优参数；
[0025]
(3.2)初始化参数：随机产生以下初始种群
[0026][0027]
式中，n
p
表示种群大小；xi(0)表示总体中第0代的第i个个体；x
j,i
(0)表示第 0代的第i个个体的第j个基因；rand(0,1)表示0到1之间的随机分布数；
[0028]
(3.3)变异操作：de算法以实际值参数向量作为每一代的种群，以种群中两个个体的加权差值作为中间个体，即差向量；之后将差向量加到第三个个体上，产生突变，如下所示：
[0029][0030]
式中，f表示诱变因子，xi(g)表示g代种群的第i个个体；
[0031]
(3.4)交叉操作：按照规则将当前种群中个体的部分组成部分与突变个体的相应组成部分进行交换，从而产生交叉种群；g代种群|xi(g)|及其变异量{vi(g 1)} 的交叉运算如下：
[0032]
[0033]
式中，j
rand
表示[1,2,3
…
d]中的随机整数；cr表示交叉概率；
[0034]
(3.5)选择操作：如果下一代个体的目标函数小于当前个体的目标函数，则下一代个体将取代当前个体：
[0035][0036]
(3.6)收敛判别操作：设xi(g 1)中的最优个体为x
best
(g 1)；当de运行到预定次数或目标函数值q达到设定的精度时，操作结束，预估结果为rlc参数的最优值；如果没有收敛，则返回步骤(3.2)，再次进行变异、交叉和选择。
[0037]
有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：(1)采用分频段的拟合方法，不需要在专业工作站仅在个人电脑上就可以完成高频模型的建立，且差分进化算法在提取阻抗数据中rlc值的使用，可以在保持较高精确度的情况下可以完成9khz到500mhz频率范围内的共模扼流圈高频模型建立； (2)仅需要测量共模扼流圈的共模与差模阻抗，便可以利用差分进化算法建立高频模型。
附图说明
[0038]
图1为本发明的流程示意图；
[0039]
图2为共模扼流圈的高频等效电路图；
[0040]
图3为共模扼流圈阻抗提取图；
[0041]
图4为差分进化算法原理流程图；
[0042]
图5为阻抗仿与实测的对比图。
具体实施方式
[0043]
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。
[0044]
如图1所示，本发明的共模扼流圈高频建模方法，包括以下步骤：
[0045]
(1)建立共模扼流圈的高频等效电路；如图2所示，电路分为共模部分和差模部分，由多个共rlc并联谐振级组成，以对应可能出现在测得的共模扼流圈阻抗波形中的谐振，并且还可以提高高频模型精确度；每个谐振级由一对耦合电感组成，其中共模部分谐振级上下电感之间的耦合系数kc＝1，差模部分谐振级上下电感之间kd＝-1。引入互感系数可以确保在理想情况下，电路流过共模电流时可以把差模通路短路，反之亦然。高频等效电路的输入端和输出端分别并联连接一电容c；图中，r
ci
和r
di
代表磁芯电阻，反映由于磁滞和涡流引起的铁氧体磁芯的能量损失，c
ci
、c
di
分别代表绕组内电容；c是绕组间电容。
[0046]
(2)如图3所示，利用矢量网络分析仪测量共模扼流圈的共模与差模阻抗；
[0047]
利用矢量网络分析仪测量共模扼流圈的阻抗，当测量共模通路的共模阻抗 z
cm
时，将共模扼流圈的1和2端口短路，再与矢量网络分析仪(vna)连接，如图3(a)。与之相对的共模通路阻抗表达式为：
[0048][0049]rci
、l
ci
、c
ci
分别为共模通路的电阻、电感和电容。
[0050]
当测量差模通路的差模阻抗z
dm
时，将共模扼流圈的2端口短路，再与矢量网络分析仪(vna)连接，如图3(b)，因此差模通路阻抗表达式为：
[0051][0052]rdi
、l
di
、c
di
分别为差模通路的电阻、电感和电容。
[0053]
(3)使用差分进化算法分频段处理测得的共模扼流圈的阻抗数据；
[0054]
为了获得精确度较高的共模扼流圈高频等效模型，并且可以在性能较低个人计算机上处理阻抗数据，本发明采用分频段的数据拟合方法，即从开始频率到阻抗波形的第一个波谷为第一段，第一个波谷至第二个波谷为第二段，以此类推。
[0055]
如图4所示，利用差分进化处理阻抗数据的具体步骤如下：
[0056]
(3.1)最优参数问题转化
[0057]
将由共模扼流圈等效电路拓扑获得的阻抗表达式转化为阻抗幅值z
x
的表达式，然后将z
x
作为待优化rlc参数的原始函数，测量得到的阻抗数据zm为样本。设共模扼流圈等效电路模型的共模(差模)阻抗幅值z
x
的表达式为：
[0058][0059]
式中，d表示空间尺寸，式中，d表示空间尺寸，和分别表示第j个分量xj的最大值和最小值；f表示自变量；z
x
表示因变量；x1,x2,x3,..xd表示待定参数；本案中即为共模(差模)阻抗等效模型的rlc参数。利用de算法对共模和差模等效阻抗的 rlc参数提取，其优化准则函数可由系统模型残差最小平方和建立，如下：
[0060][0061]
其中φ(f)为测量获得的共模(差模)阻抗幅值，φ(f)'是共模(差模)阻抗等效电路的阻抗幅值计算值。当变量q为最小值时，对应的rlc参数即为最优参数。
[0062]
(3.2)初始化参数
[0063]
对于初始种群随机产生：
[0064][0065]
其中，n
p
为种群大小，xi(0)指总体中第0代的第i个个体，x
j,i
(0)指第0代的第i个个体的第j个基因。rand(0,1)表示0到1之间的随机分布数；
[0066]
(3.3)变异操作：de算法以实际值参数向量作为每一代的种群，以种群中两个个体的加权差值作为中间个体，即差向量；之后将差向量加到第三个个体上，产生突变，如下所示：
[0067][0068]
其中，f表示诱变因子，xi(g)表示g代种群的第i个个体。
[0069]
(3.4)交叉操作
[0070]
交叉操作是指按照一定的规则将当前种群中个体的某些组成部分与突变个体的相应组成部分进行交换，从而产生交叉种群。g代种群|xi(g)|及其变异量 {vi(g 1)}的交叉运算如下：
[0071][0072]
其中，j
rand
表示[1,2,3
…
d]中的随机整数；cr表示交叉概率。
[0073]
(3.5)选择操作：如果下一代个体的目标函数小于当前个体的目标函数，则下一代个体将取代当前个体：
[0074][0075]
(3.6)收敛判别操作：设xi(g 1)中的最优个体为x
best
(g 1)，当de运行到预定次数或目标函数值q达到设定的精度时，操作即可结束，预估结果为rlc 参数的最优值。如果没有收敛，则返回步骤(3.2)，再次进行变异、交叉和选择。
[0076]
(4)搭建共模扼流圈高频模型。按照提出的共模扼流圈高频等效电路，利用差分进化算法提取的rlc搭建共模扼流圈高频等效电路。在ads仿真软件中按照共模扼流圈等效电路搭建仿真电路，仿真与实测的共模和差模阻抗波形对比见图5所示。