一种用于多个GaNHEMT器件开关电路的电磁场参数-效率耦合分析方法

本技术涉及高频器件应用，特别涉及一种用于多个gan hemt器件开关电路的电磁场参数-效率耦合分析方法。

背景技术：

1、不同的半导体材料在复杂工作环境的影响下表现出不同的物理特性。当多个氮化镓（gan）高电子迁移率金属栅极晶体管（hemt）器件应用于具有开关能量转换过程和电磁耦合特性复杂的高频开关电路模块时，由于耦合参数导致的高频器件物理特性和电路模块输出特性的变化，使得计算开关电路效率变得更加困难。氮化镓（gan）半导体材料是研究复杂电磁耦合环境下的高频开关半导体器件的理想材料。gan hemt器件具有优异的品质因数johnson（jmf）和baliga（bfom），使其在高频、高耦合参数的开关电路中表现出卓越的工作性能和输出效率。

2、目前仅有少数研究探讨了半导体材料的耦合特性参数与器件开关效率及动态工作特性之间的关系，尤其是涉及多个gan hemt器件的高频开关电路中的相关问题。在不同温度下，级联gan功率器件的动态特性、栅极电阻值、器件电流、直流母线电压、开关性能和功率损耗会随时间发生变化。然而，现有研究成果并不适用于常见的开关拓扑结构，且未考虑耦合参数对gan hemt器件输出效率的影响。在研究耦合参数与器件相互影响机制方面，大多数研究结果侧重于器件驱动电路和pcb布局的设计，而未对耦合参数与高频器件动作之间的动态物理影响规律进行深入分析。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中由多个高频器件的异步切换状态引起的开关模块耦合参数快速变化以及电路效率计算变得困难且耗时等难点问题，本技术提出了一种用于多个ganhemt器件开关电路的电磁场参数-效率耦合分析方法。

2、本技术采用的技术方案为：一种用于多个gan hemt器件开关电路的电磁场参数-效率耦合分析方法，包括以下步骤：

3、步骤一：构建由多个gan hemt器件串联-并联结构构成的高频开关电路；

4、步骤二：构建高频开关电路在不同工作状态下的电压与电流耦合参数的关系；

5、步骤三：采用麦克斯韦方程组建立高频开关电路在不同工作状态下的空间磁场分布、空间电场分布与空间变化时间、高频开关电路频率以及空间物理参数之间的关系；

6、步骤四：基于步骤二和步骤三构建各参数之间的耦合关系，构建快速耦合参数-效率分析模型，采用电磁场表示高频开关电路的效率，并基于该效率预测高频开关电路输出端的最大、中间和最小效率值的范围。

7、进一步地，步骤一中建立的高频开关电路整体架构包括电感、电感、电感、电感、电感、电感、电感、电感、电感、电感、逆变侧电感、直流侧电压源、gan hemt1器件、gan hemt2器件、gan hemt3器件、gan hemt4器件、gan hemt5器件和主电路电感；

8、并且在后续步骤二至步骤四的分析中将高频开关电路拓扑分为升压电路和降压电路两种类型，升压电路的主电路电感为，降压电路的主电路电感为。

9、进一步地，在高频开关升压电路中5个gan hemt器件与电感一起分布在三个支路中，其中主电路电感的一端连接直流侧电压源正极端，主电路电感的另一端连接支路1的一端以及电感的一端，电感的另一端连接支路2的一端以及电感的一端，电感的另一端连接支路3的一端，支路1/2/3的另一端均接入直流侧电压源负极端；其中支路1上包括串联的电感、gan hemt1器件和电感；支路2上包括串联的电感、gan hemt2器件、电感、gan hemt3器件和电感；支路3上包括串联的电感、gan hemt4器件、电感、gan hemt5器件和电感；在支路2的gan hemt2器件输出端与支路3的ganhemt5器件输入端之间连接有逆变侧电感；

10、在高频开关升压电路中，5个gan hemt器件分布在三个电流回路中，当gan hemt1器件导通时，直流侧电压源、主电路电感、电感、电感共同构成电流回路，电流产生磁场；当gan hemt1器件关断且gan hemt2器件和gan hemt5器件同时导通时，直流侧电压源、主电路电感、电感、电感、逆变侧电感和电感共同构成电流回路，电流产生磁场；当gan hemt1器件关断且gan hemt4器件和gan hemt3器件同时导通时，直流侧电压源、主电路电感、电感、电感、电感、电感、逆变侧电感、电感、电感共同构成电流回路，电流产生磁场，中间电路产生的磁场为，反之，当电流回路中的gan hemt1器件关断时，会生成反向的感应磁场，当电流回路中的gan hemt1器件导通且gan hemt2器件和gan hemt5器件同时关断时，会生成反向的感应磁场，当电流回路中的gan hemt1器件导通且gan hemt4器件和ganhemt3器件同时关断时，会生成反向的感应磁场，中间电路产生的感应磁场为。

11、进一步地，在高频开关降压电路中，5个gan hemt器件与电感一起分布在三个支路中，其中主电路电感连接在支路1的正极与电感之间，电感、gan hemt1器件、电感按顺序串联在直流侧电压源正极端与支路1的正极之间，支路1用于连接电感与直流侧电压源负极；

12、电感的另一端连接支路2的一端、电感的一端，电感的另一端连接支路3，支路2上包括串联的电感、gan hemt2器件、电感、gan hemt3器件和电感；支路3上包括串联的电感、gan hemt4器件、电感、gan hemt5器件和电感；在支路2的gan hemt2器件输出端与支路3的gan hemt5器件输入端之间连接有逆变侧电感；

13、在高频开关降压电路中，5个gan hemt器件分布在三个电流回路中，当gan hemt1器件、gan hemt2器件和gan hemt5器件同时导通时，直流侧电压源、主电路电感、电感、电感、电感、电感、逆变侧电感和电感共同构成电流回路，电流产生磁场；当gan hemt1器件、gan hemt4器件和gan hemt3器件同时导通时，直流侧电压源、主电路电感、电感、电感、电感、电感、电感、电感、逆变侧电感、电感、电感共同构成电流回路，电流产生磁场，中间电路产生的磁场为，反之，当电流回路中的gan hemt1器件、gan hemt2器件和gan hemt5器件同时关断时，会生成反向的感应磁场，当电流回路中的gan hemt1器件、gan hemt4器件和ganhemt3器件同时关断时，会生成反向的感应磁场，中间电路产生的感应磁场为。

14、进一步地，高频开关升压电路各个回路中，电压与电流耦合参数的关系如下：

15、；

16、式中，表示开关电路效率，表示输入电流，表示输出电流，表示电流回路中流过的感应电流，表示电流回路中流过的感应电流，表示电流回路中流过的感应电流，表示感应电流在电流回路中引起的感应电压，表示感应电流在电流回路中引起的感应电压，表示感应电流在电流回路中引起的感应电压，表示回路；

17、、和分别表示三个电流回路中的电流变化率，、、分别表示三个电流回路中的空间磁场强度，、、分别表示三个电流回路中的感应磁场强度，、、分别表示三个电流回路中的电场强度，、、分别表示三个电流回路中的感应电场强度。

18、进一步地，高频开关降压电路各个回路中，电压与电流耦合参数的关系如下：

19、；

20、式中，表示开关电路效率，表示输入电流，表示输出电流，表示电流回路中流过的感应电流，表示电流回路中流过的感应电流，表示感应电流在电流回路中引起的感应电压，表示感应电流在电流回路中引起的感应电压，表示回路；

21、和分别表示电流、回路中的电流变化率，、分别表示电流、回路中的空间磁场强度，、分别表示电流、回路中的感应磁场强度，、分别表示电流、回路中的电场强度，、分别表示电流、回路中的感应电场强度。

22、进一步地，快速耦合参数-效率分析模型中电磁场表示的高频开关升压电路的效率如下：

23、

24、式中，表示高频开关升压电路的效率。

25、进一步地，快速耦合参数-效率分析模型中电磁场表示的高频开关降压电路的效率如下：

26、；

27、式中，表示高频开关降压电路的效率。

28、进一步地，电流流经的高频开关电路中的电感参数小于电流流经的电路中的电感参数时，通过高频开关升压电路的效率公式或高频开关降压电路的效率公式预测高频开关电路输出端的最大、中间和最小效率值的范围。

29、进一步地，电流流经的高频开关电路中的电感参数大于电流流经的电路中的电感参数时，通过高频开关升压电路的效率公式或高频开关降压电路的效率公式预测高频开关电路输出端的最大、中间和最小效率值的范围。

30、本技术相对于现有技术具备的有益效果为：

31、1、本技术以由多个高频器件组成的gan hemt串联并联结构构成的开关电路拓扑为研究对象，考虑了受高频器件异步复杂状态影响的耦合参数变化规律，利用耦合参数的分析与优化结果求得电路的最佳效率，并构建了高频开关模块的快速耦合参数-效率分析模型。通过快速耦合参数-效率分析模型，预测了多开关高频模块电路最大输出效率的最优参数；

32、2、高频开关电路的快速耦合参数-效率分析模型可以凭借gan hemt器件优异的高频特性，显著提升高频开关模块的效率，同时降低其体积和重量；

33、3、该快速耦合参数-效率分析模型突破了传统开关电路的拓扑限制，在器件数量增加、电路拓扑复杂以及耦合参数快速变化等条件下，解决了gan hemt动态开关在应用过程中对器件效率变化规律的影响关系；

34、4、传统计算方法得到的开关电路效率值只能在输出电感流经电流约束条件下得到，即。然而，快速耦合参数-效率分析模型不受开关电路工作状态的限制，可在、即的条件下进行参数预测，并优化电路效率；

35、5、本技术根据高频开关电路的快速耦合参数-效率分析模型能够解决由于空间耦合电磁场的作用以及高频开关的频繁运行对于输出端效率复杂变化的影响关系，涉及的电路实际物理参数更少，对高频器件复杂开关状态的影响较小，并显著提高了计算速度，可用于预测多开关高频模块电路实现最大输出效率的最佳参数。