直流升压功率因数校正电路的仿真方法、仿真电路、处理器及存储介质与流程

1.本技术涉及电路仿真领域，尤其涉及一种直流升压功率因数校正电路的仿真方法、仿真电路、处理器及存储介质。


背景技术：

2.电路仿真，就是将设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能。boost(直流升压)pfc(power factor correction，功率因数校正)变换器理论分析的前提是对实际系统建立准确地的数学模型。因此如何建立符合boost pfc变换器的数学模型成为本领域人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本技术提供了一种直流升压功率因数校正电路的仿真方法、仿真电路、处理器及存储介质，用以解决建立boost pfc变换器的数学模型。
4.第一方面，提供一种直流升压功率因数校正电路的仿真方法，所述直流升压功率因数校正电路的仿真电路包括用分数阶电容逼近电路表示的输入电容、用分数阶电感逼近电路表示的电感和半导体开关器件；
5.所述方法包括：
6.分别计算得到所述输入电容的第一阻抗函数以及所述电感的第二阻抗函数；
7.对所述第一阻抗函数展开得到所述分数阶电容逼近电路、以及对所述第二阻抗函数展开得到所述电感分数阶电感电路；
8.采用双脉冲实验对所述半导体开关器件中的器件参数进行优化，得到所述半导体开关器件的半导体开关器件模型；
9.基于所述分数阶电容逼近电路、所述分数阶电感逼近电路以及所述半导体开关器件模型，生成所述仿真电路。
10.可选地，采用双脉冲实验对所述半导体开关器件中的器件参数进行优化，得到所述半导体开关器件的半导体开关器件模型，包括：
11.确定所述半导体开关器件建模过程中所需的额定电压和额定电流；
12.在所述额定电压和所述额定电流下，对所述半导体开关器件进行双脉冲实验，测量得到反映所述半导体开关器件的动态特性的参数；
13.从所述半导体开关器件的数据手册中获取用于反映所述半导体开关器件的静态特性的参数；
14.将所述动态特性参数和所述动态特性参数输入所述半导体开关器件对应的模型中，得到所述半导体开关器件模型。
15.可选地，分别计算得到所述输入电容的第一阻抗函数以及所述电感的第二阻抗函数，包括：
16.采用charef逼近方法分别计算得到所述输入电容的第一阻抗函数以及所述电感的第二阻抗函数，所述第一阻抗函数和所述第二阻抗函数均为正实函数，所述第一阻抗函数的分子分母的幂次相同，所述第二阻抗函数的分子分母的幂次相同。
17.可选地，对所述第一阻抗函数展开得到所述分数阶电容逼近电路，包括：
18.采用福斯特综合法对所述第一阻抗函数展开，得到所述分数阶电容逼近电路，所述分数阶电容逼近电路包括m个分数阶电容逼近电路单元，m为正整数；每个所述分数阶电容逼近电路单元包括并联设置的电阻模块和电容模块，在m≥2的情况下，m个所述分数阶电容逼近电路单元串联设置。
19.可选地，对所述第二阻抗函数展开得到所述分数阶电感电路，包括：
20.采用福斯特综合法对所述第二阻抗函数展开，得到所述分数阶电感逼近电路，所述分数阶电感逼近电路包括n个分数阶电感逼近电路单元，n为正整数；每个所述分数阶电感逼近电路单元包括并联设置的电阻模块和电感模块，在n≥2的情况下，n个所述分数阶电感逼近电路单元串联设置。
21.第二方面，提供一种直流升压功率因数校正电路的仿真电路，所述仿真电路包括仿真电路本体和等效的高频电流环路，所述等效的高频电流环路包括分数阶电容逼近电路、分数阶电感逼近电路和基于双脉冲实验得到的半导体开关器件模型；
22.所述半导体开关器件模型的漏极与所述分数阶电感逼近电路的一端相连，所述分数阶电感逼近电路的另一端与所述分数阶电容逼近电路的一端相连，所述分数阶电容逼近电路的另一端与所述半导体开关器件模型的源极相连；
23.所述分数阶电感逼近电路、所述分数阶电容逼近电路、所述半导体开关器件模型的漏极和源极均与所述仿真电路本体相连。
24.可选地，所述分数阶电感逼近电路的阶数为α，所述分数阶电容逼近电路的阶数为β，其中0＜α＜1且0＜β＜1。
25.可选地，所述分数阶电感逼近电路，包括：n个分数阶电感逼近电路单元，n为正整数；每个所述分数阶电感逼近电路单元包括并联设置的电阻模块和电感模块，在n≥2的情况下，n个所述分数阶电感逼近电路单元串联设置。
26.可选地，所述分数阶电容逼近电路，包括：m个分数阶电容逼近电路单元，m为正整数；每个所述分数阶电容逼近电路单元包括并联设置的电阻模块和电容模块，在m≥2的情况下，m个所述分数阶电容逼近电路单元串联设置。
27.第三方面，提供一种处理器，包括：处理器、存储器和通信总线，其中，处理器和存储器通过通信总线完成相互间的通信；
28.所述存储器，用于存储计算机程序；
29.所述处理器，用于执行所述存储器中所存储的程序，实现第一方面所述的直流升压功率因数校正电路的仿真方法。
30.第四方面，提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的直流升压功率因数校正电路的仿真方法。
31.本技术实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本技术实施例提供的技术方案，分别计算得到输入电容的第一阻抗函数以及电感的第二阻抗函数；分别对第一阻抗函数和第二阻抗函数展开，得到分数阶电容逼近电路、以及分数阶电感逼近电
路；采用双脉冲实验对半导体开关器件中的器件参数进行优化，得到半导体开关器件的半导体开关器件模型；基于分数阶电容逼近电路、分数阶电感逼近电路以及半导体开关器件模型，生成仿真电路。本技术生成的仿真电路采用分数阶描述boost pfc变换器中的电容与电感，并对 boost pfc变换器中的半导体开关器件的参数进行优化，因此克服了整数阶电容和整数阶电感所带来的误差、以及半导体开关器件所带来的干扰，使得得到的仿真电路更准确。
32.另外，本技术涉及到的半导体开关器件，根据半导体开关器件的静态特性和动态特性参数构建半导体开关器件高频等效模型，根据集电极电流ic与集电极
‑
发射极电压vge的关系曲线。以及对于动态特性，在半导体开关器件开通关断时，其需要对内部寄生电容进行充放电，因此需要得到内部寄生电容参数，最终可以通过双脉冲测试中开关管上电掉电的电压电流波形与实测吻合度验证模型的准确性。
附图说明
33.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
34.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本技术实施例示出的boost pfc变换器的仿真电路的电路框图；
36.图2为本技术实施例中直流升压功率因数校正电路的仿真方法的流程示意图；
37.图3为本技术实施例示出的分数阶电容逼近电路的一种电路框图；
38.图4为本技术实施例示出的分数阶电感逼近电路的电路框图；
39.图5为本技术实施例示出的分数阶电容逼近电路的又一种电路框图；
40.图6为本技术实施例示出的dpt的电路框图；
41.图7为本技术实施例示出的直流升压功率因数校正电路的仿真装置的结构示意图；
42.图8为本技术实施例示出的处理器的结构示意图。
具体实施方式
43.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
44.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚的列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚的列出的或对于这些过程、方法、产品
或设备固有的其它步骤或单元。
45.在输出功率相对较低的应用场合(小于100w)，如手机充电器、笔记本适配器等，一般采用单路boost pfc变换器，而在输出功率相对较大的应用场合(100w
‑
1000w)，如桌面电脑、入门级的服务器、大屏幕智能电视以及网络通讯电源等，可采用多个boost pfc变换器并联工作。这些变换器可以采用交错控制，即各变换器开关管的驱动信号依次移相360
°
/n(n为并联的变换器数量)，这样能等效提高输入电流的开关频率，降低输入和输出电流脉动，减小输入和输出滤波器。
46.但现实世界中是不存在理想的电阻、电容和电感，当然分抗的存在也不是理想的，而且现在还没有作为单个元件存在的集总分抗元件，所以能否利用现有的电感、电阻和电容构造出在一定程度上逼近分抗元件外特性的组合电路，该逼近都是在一定频率范围内表现出分数阶的数学关系。
47.现有的电感和电容的实际外特性呈分数阶性质，只是其阶数非常接近于整数1。所以整数阶的理论模型实际上都存在着一定的理论误差。可以从两个方面消除理论误差：其一，能否测得电感电容实际阶数或建立其实际的分数阶模型；其二，能否利用这些阶数接近于1的器件去构造阶数远偏离于1的真正意义上的分数阶器件。由于采用整数阶模型描述电容存在着一定的误差，因此需要对分数阶模型进行深入的研究。
48.另外，半导体开关器件作为电路的数据模型的主要干扰源，需要对其进行研究分析，增加模型的准确性。
49.图1是根据本发明的一个示例性的实施例的boost pfc变换器的仿真电路的电路框图。
50.具体地，该boost pfc变换器的输入电压的正极与线性阻抗稳定网路(lisn)的电源输入端相连，lisn的电流输出端分别与第一二极管的阳极和第三二极管的阴极相连，第一二极管的阴极与第二二极管的阴极相连，第二二极管的阴极还分别与输入电容的一端和电感的一端相连，电感l的另一端分别与第五二极管的阳极和半导体开关器件的漏极相连，第五二极管的阴极分别与输出电容的一端和电感l的一端相连，电感l的另一端分别与输出电容的另一端和半导体开关器件的源极相连，半导体开关器件的源极还与输入电容的另一端相连，输入电容的另一端还分别与第三二极管的阳极和第四二极管的阳极相连，第四二极管的阴极分别与第二二极管的阳极和lisn的电流输入端相连，第二二极管的阳极与lisn的电流输入端相连，lisn的电压输出端与输入电压的负极相连。
51.其中，boost pfc变换器工作在临界断续导通模式。电感l是电路中主要的磁场源。此外，对于磁场耦合而言，存在2个高频电流环路：环路1(loop1)与环路2(loop2)。在断续导通模式下，电路中不存在反向恢复电流，因此本技术的分析集中于环路1。
52.应理解，在仿真过程中，输入电容为分数阶电容逼近电路，电感为分数阶电感逼近电路，半导体开关器件为半导体开关器件模型。
53.图2为本技术实施例示出的直流升压功率因数校正电路的仿真方法的流程示意图，该方法用于分别生成图1示出的boost pfc变换器中的第一电容(以下暂称为输入电容)和电感的分数阶电路，同时生成半导体开关器件的半导体开关器件模型，并进一步得到该变换器的仿真电路；
54.具体地，该方法包括以下步骤：
55.步骤201、分别计算得到输入电容的第一阻抗函数以及电感的第二阻抗函数。
56.本实施例中，采用charef逼近方法分别计算得到输入电容的第一阻抗函数以及电感的第二阻抗函数，第一阻抗函数和第二阻抗函数均为正实函数，第一阻抗函数的分子分母的幂次相同，第二阻抗函数的分子分母的幂次相同。
57.其中，charef逼近方法是先通过设计单分形系统中所需的单分数幂极点模型，来完成分数阶积分运算；再通过设计分形系统中所需的单分数零极点模型，来完成分数阶微分运算；最后将这两种零极点模型交替组合就构成了一个个零极点对组合逼近。
58.其中在完成分数阶积分运算时所采用的公式如下所示：
[0059][0060]
在完成分数阶微分运算时所采用的公式如下所示：
[0061][0062]
将两种零极点模型交替组合构成了一个个零极点对组合逼近，也可以形象得将这种逼近称为z型逼近，其无理函数得有理逼近可以记作：
[0063][0064]
式中的α和β为递进因数，ω
c
称为单位增益频率。结合设定的渐进幅频误差δ。通常可以按以下原则对参数进行取值：
[0065][0066]
步骤202、对第一阻抗函数展开得到分数阶电容逼近电路、以及对第二阻抗函数展开得到分数阶电感电路。
[0067]
本实施例中，利用现有的无源或有源电子器件组成逼近电路，使其在一定频段中尽量地拟合出分数阶性质。这类电路也被称为分抗逼近电路，主要核心目标都是利用阻抗函数z(s)来表达理想分抗的分数阶微分算子s
μ
。
[0068]
无源网络综合的核心研究内容是讨论在仅利用有限个无源元件的条件下，对于既
定的网络函数的构造问题。通过对这个问题的深入研究，可以很好地对有理逼近算法所获得阻抗函数进行实际电路构造。目前在设计有理逼近算法时都已考虑过传递函数的正实性，因此对于 0～1阶情况下的各种分抗都可以使用无源网络完成综合，如福斯特型 (foster)。
[0069]
如图3所示，图3为本实施例示出的分数阶电容逼近电路的电路框图。在得到第一阻抗函数后，采用福斯特综合法对第一阻抗函数展开，得到分数阶电容逼近电路，分数阶电容逼近电路包括m个分数阶电容逼近电路单元，m为正整数；每个分数阶电容逼近电路单元包括并联设置的电阻模块和电容模块，在m≥2的情况下，m个分数阶电容逼近电路单元串联设置。
[0070]
如图4所示，图4为本实施例示出的分数阶电感逼近电路的电路框图。在得到第二阻抗函数后，采用福斯特综合法对第二阻抗函数展开，得到分数阶电感逼近电路，分数阶电感逼近电路包括n个分数阶电感逼近电路单元，n为正整数；每个分数阶电感逼近电路单元包括并联设置的电阻模块和电感模块，在n≥2的情况下，n个分数阶电感逼近电路单元串联设置。
[0071]
可选地，本实施例中具体可以按照福斯特i型对第一阻抗函数和第二阻抗函数展开得到分数阶电容逼近电路以及分数阶电感逼近电路。
[0072]
本实施例中，分数阶电感逼近电路的阶数为α，分数阶电容逼近电路的阶数为β，其中0＜α＜1且0＜β＜1。
[0073]
以下以电容的阶数β＝0.8，容抗c＝10uf，采用charef逼近方法可以得出分数阶电感的阻抗函数：
[0074][0075]
采用典型的链式结构(福斯特i型)得出分数阶电容的等效逼近电路可参见图5所示。其中，等效电路中各元件取值见下表所示：
[0076][0077][0078]
步骤203、采用双脉冲实验对半导体开关器件中的器件参数进行优化，得到与半导体开关器件等效的半导体开关器件模型。
[0079]
本实施例中，可以通过双脉冲仿真电路(dpt)对半导体开关器件进行双脉冲实验。
[0080]
如图6所示，图6为本实施例示出的dpt的电路框图。其中在该电路中，u1、u2是电源；t1、t2是半导体开关器件模型；r
g
是驱动电阻；l
load
是电抗器。
[0081]
一个具体实施中，通过dpt对半导体开关器件进行双脉冲实验时，确定半导体开关器件建模过程中所需的额定电压和额定电流；在额定电压和额定电流下，对半导体开关器件进行双脉冲实验，测量得到反映半导体开关器件的动态特性的参数，动态特性参数包括开通时间、关断时间、开通能量以及关断能量；从半导体开关器件的数据手册中获取放映半导体开关器件的静态特性的参数，静态特性参数包括用于反映集电极电流ic与栅极电压vge的关系曲线；将动态特性参数和动态特性参数输入半导体开关器件对应的模型中，得到半导体开关器件模型。
[0082]
步骤204、基于分数阶电容逼近电路、分数阶电感逼近电路以及半导体开关器件模型，生成仿真电路。
[0083]
本技术实施例提供的技术方案，分别计算得到输入电容的第一阻抗函数以及电感的第二阻抗函数；分别对第一阻抗函数和第二阻抗函数展开，得到分数阶电容逼近电路、以及分数阶电感逼近电路；采用双脉冲实验对半导体开关器件中的器件参数进行优化，得到半导体开关器件的半导体开关器件模型；基于分数阶电容逼近电路、分数阶电感逼近电路
以及半导体开关器件模型，生成仿真电路。本技术生成的仿真电路采用分数阶描述boost pfc变换器中的电容与电感，并对boost pfc变换器中的半导体开关器件的参数进行优化，因此克服了整数阶电容和整数阶电感所带来的误差、以及半导体开关器件所带来的干扰，使得得到的仿真电路更准确。
[0084]
另外，本技术涉及到的半导体开关器件，根据半导体开关器件的静态特性和动态特性参数构建半导体开关器件高频等效模型，根据集电极电流ic与集电极
‑
发射极电压vge的关系曲线。以及对于动态特性，在半导体开关器件开通关断时，其需要对内部寄生电容进行充放电，因此需要得到内部寄生电容参数，最终可以通过双脉冲测试中开关管上电掉电的电压电流波形与实测吻合度验证模型的准确性。
[0085]
基于同一构思，本技术实施例中还提供了一种直流升压功率因数校正电路的仿真装置，如图7所示，该装置包括：
[0086]
计算单元701，用于分别计算得到输入电容的第一阻抗函数以及电感的第二阻抗函数；
[0087]
等效单元702，用于对第一阻抗函数展开得到分数阶电容逼近电路、以及对第二阻抗函数展开得到电感分数阶电感电路；
[0088]
优化单元703，用于采用双脉冲实验对半导体开关器件中的器件参数进行优化，得到半导体开关器件的半导体开关器件模型；
[0089]
生成单元704，用于基于分数阶电容逼近电路、分数阶电感逼近电路以及半导体开关器件模型，生成仿真电路。
[0090]
可选地，优化单元703用于：
[0091]
确定半导体开关器件建模过程中所需的额定电压和额定电流；
[0092]
在额定电压和额定电流下，对半导体开关器件进行双脉冲实验，测量得到反映半导体开关器件的动态特性的参数；
[0093]
从半导体开关器件的数据手册中获取用于反映半导体开关器件的静态特性的参数；
[0094]
将动态特性参数和动态特性参数输入半导体开关器件对应的模型中，得到半导体开关器件模型。
[0095]
可选地，计算单元701用于：
[0096]
采用charef逼近方法分别计算得到输入电容的第一阻抗函数以及电感的第二阻抗函数，第一阻抗函数和第二阻抗函数均为正实函数，第一阻抗函数的分子分母的幂次相同，第二阻抗函数的分子分母的幂次相同。
[0097]
可选地，等效单元702用于：
[0098]
采用福斯特综合法对第一阻抗函数展开，得到分数阶电容逼近电路，分数阶电容逼近电路包括m个分数阶电容逼近电路单元，m为正整数；每个分数阶电容逼近电路单元包括并联设置的电阻模块和电容模块，在m≥2的情况下，m个分数阶电容逼近电路单元串联设置；
[0099]
可选地，等效单元702用于：
[0100]
采用福斯特综合法对第二阻抗函数展开，得到分数阶电感逼近电路，分数阶电感逼近电路包括n个分数阶电感逼近电路单元，n为正整数；每个分数阶电感逼近电路单元包
括并联设置的电阻模块和电感模块，在n≥2的情况下，n个分数阶电感逼近电路单元串联设置。
[0101]
基于同一构思，本技术实施例中还提供了一种处理器，如图8所示，该处理器主要包括：处理器801、存储器802和通信总线803，其中，处理器801和存储器802通过通信总线803完成相互间的通信。其中，存储器802中存储有可被处理器801执行的程序，处理器801 执行存储器802中存储的程序，实现如下步骤：
[0102]
分别计算得到输入电容的第一阻抗函数以及电感的第二阻抗函数；
[0103]
对第一阻抗函数展开得到分数阶电容逼近电路、以及对第二阻抗函数展开得到电感分数阶电感电路；
[0104]
采用双脉冲实验对半导体开关器件中的器件参数进行优化，得到半导体开关器件的半导体开关器件模型；
[0105]
基于分数阶电容逼近电路、分数阶电感逼近电路以及半导体开关器件模型，生成仿真电路。
[0106]
上述处理器中提到的通信总线803可以是外设部件互连标准(peripheral component interconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extended industry standard architecture，简称eisa)总线等。该通信总线803可以分为的址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0107]
存储器802可以包括随机存取存储器(random access memory，简称ram)，也可以包括非易失性存储器(non
‑
volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器801的存储装置。
[0108]
上述的处理器801可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称 np)等，还可以是数字信号处理器(digital signal processing，简称 dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称 asic)、现场可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，简称 fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0109]
在本技术的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当该计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中所描述的直流升压功率因数校正电路的仿真方法。
[0110]
在上述实施例中，可以全部或部分的通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分的以计算机程序产品的形式实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行该计算机指令时，全部或部分的产生按照本技术实施例所述的流程或功能。该计算机可以时通用计算机、专用计算机、计算机网络或者其他可编程装置。该计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令从一个网站站点、计算机、服务器或者数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)) 或无线(例如红外、微波等)方式向另外一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。该计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬
盘、磁带等)、光介质(例如dvd)或者半导体介质(例如固态硬盘)等。
[0111]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0112]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。