一种基于差分进化算法的整流二极管高频电路建模方法与流程

1.本发明涉及开关电源非理想无源器件高频建模技术领域，尤其涉及一种基于差分进化算法的整流二极管高频电路建模方法。


背景技术：

2.整流二极管是开关电源中常用的高频非理想器件，常用于开关电源的整流、稳压以及保护。而开关电源的电磁干扰特性与其非理想器件的高频特性密切相关，为提高开关电源电磁干扰预估的精度有必要对其相关非理想器件的高频特性进行建模研究。传统的开关电源电磁干扰预估研究尚未充分考虑非理想器件高频特性对其电磁干扰特性的影响，在很多情况下由于预估对象拓扑较为简单，预估频段较低，因此只采用器件理想模型或器件数据手册上的参数进行相关的预估工作，由于器件高频特性的缺失以及理想模型与实际情况的差异，预估精度很难提高。目前多数无源器件等效电路模型已经被提出，但如何获取最优的等效rlc参数以实现器件特性的精确表征，依然是亟待解决的问题。
3.综上所述，如何实现对整流二极管等非理想器件的高频特性进行建模研究，以及建模后如何获取最优的等效rlc参数以实现器件特性的精确表征，对开关电源电磁干扰研究具有重大意义。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于差分进化算法的整流二极管高频电路建模方法，该方法提供了一种整流二极管高频等效电路模型拓扑，并且运用差分进化算法获取最优的等效rlc参数实现了对器件特性的精确表征。
5.本发明提供一种基于差分进化算法的整流二极管高频电路建模方法，具体实现步骤为：
6.步骤1：提出整流二极管高频等效电路模型拓扑；
7.步骤2：通过矢量网络分析仪提取相应的整流二极管寄生阻抗信息；
8.步骤3：根据整流二极管的等效电路拓扑，获得其阻抗z的表达式；
9.步骤4：最优参数问题转化；
10.步骤5：初始化参数；
11.步骤6：变异操作；
12.步骤7：交叉操作；
13.步骤8：选择操作；
14.步骤9：收敛判别操作；
15.步骤10：获取寄生阻抗等效电路模型的最优rlc参数值。
16.进一步，所述步骤1，整流二极管高频等效电路模型拓扑，其特征在于：
17.二极管d正极性端，连接电感l的一端；
18.二极管d负极性端，连接电容c的一端；
19.电感l的另一端，与电阻r的一端相连；
20.电阻r的另一端，与电容c的另一端相连。
21.进一步，所述步骤3，包括：
22.由整流二极管的等效电路拓扑，可得到整流二极管的阻抗表达式z为：
[0023][0024]
式中，z为整流二极管的阻抗，r、c、l分别为整流二极管模型中对应的寄生电阻、寄生电容、寄生电感的等效参数，ω＝2πf，ω为角频率，f为频率。
[0025]
进一步，所述步骤4包括：
[0026]
将由器件的等效电路拓扑获得的阻抗z的表达式转化为其阻抗幅值z
x
的表达式，然后将z
x
作为待优化rlc参数的原始函数，测量获得的阻抗数据zm为样本。设等效电路模型阻抗幅值z
x
的表达式为：
[0027][0028][0029]
其中，d是空间尺寸,其中，d是空间尺寸,和分别表示第j个分量xj的最大值和最小值。f为自变量，z
x
为因变量，x1,x2,x3,..xd为待定参数,本文中即为阻抗等效模型的rcl参数。将差分进化算法应用于器件等效阻抗的rcl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：
[0030][0031]
其中为测量获得的阻抗幅值，是噪声源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。
[0032]
进一步，所述步骤5包括：
[0033]
对于初始种群随机产生：
[0034][0035]
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。
[0036]
进一步，所述步骤6包括：
[0037]
差分进化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。然后将差向量加到第三个个体上，产生突变，如下所示：
[0038][0039]
其中f是诱变因子，xi(g)是g代种群的第i个个体。
[0040]
进一步，所述步骤7包括：
[0041]
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：
[0042][0043]
其中j
rand
是[1,2,3
…
d]中的随机整数，cr是交叉概率。
[0044]
进一步，所述步骤8包括：
[0045]
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。
[0046][0047]
进一步，所述步骤9包括：
[0048]
设x(g 1)中的最优个体为x
best
(g 1)，当差分进化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3.3，再次进行变异、交叉和选择。
[0049]
本发明的有益效果在于：提出了一种整流二极管高频等效电路模型拓扑，并且运用差分进化算法获取最优的等效rlc参数实现了对器件特性的精确表征，为开关电源电磁干扰研究提供了基础。
附图说明
[0050]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0051]
图1为整流二极管；
[0052]
图2为本发明技术流程框图；
[0053]
图3为整流二极管高频等效电路模型拓扑；
[0054]
图4为二极管寄生阻抗与实测对比；
[0055]
图5为二极管动态特性仿真电路；
[0056]
图6为二极管模型电压；
[0057]
图7为二极管反向恢复时间；
[0058]
图8为二极管模型电流；
[0059]
图9为二极管伏安特性；
[0060]
图10为二极管模型伏安特性。
具体实施方式
[0061]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0062]
本发明提供一种基于差分进化算法的整流二极管高频电路建模方法，在本发明实施例中，以型号为taiwan semiconductor company surface mount rectifiers s3jb的整流二极管为例，其实物如图1所示。本方法可以应用到无源器件高频建模等领域。
[0063]
参照图2，为本发明实施例提供的一种基于差分进化算法的整流二极管高频电路建模方法的技术流程框图，包括以下步骤：
[0064]
步骤1：提出整流二极管高频等效电路模型拓扑；
[0065]
步骤2：通过矢量网络分析仪提取相应的整流二极管寄生阻抗信息；
[0066]
步骤3：根据整流二极管的等效电路拓扑，获得其阻抗z的表达式；
[0067]
步骤4：最优参数问题转化；
[0068]
步骤5：初始化参数；
[0069]
步骤6：变异操作；
[0070]
步骤7：交叉操作；
[0071]
步骤8：选择操作；
[0072]
步骤9：收敛判别操作；
[0073]
步骤10：获取寄生阻抗等效电路模型的最优rlc参数值。
[0074]
在本发明实施例中，所述步骤1包括：
[0075]
如图3所示，本发明提供了一种整流二极管高频等效电路模型拓扑：
[0076]
其中，二极管d正极性端，连接电感l的一端；
[0077]
二极管d负极性端，连接电容c的一端；
[0078]
电感l的另一端，与电阻r的一端相连；
[0079]
电阻r的另一端，与电容c的另一端相连。
[0080]
在本发明实施例中，所述步骤2包括：
[0081]
本实施例中使用矢量网络分析仪(型号：rohde&schwarz znc3网络分析仪9khz-3ghz)提取整流二极管的阻抗信息，整流二极管为单端口器件，因此只需要测试z
s11
即为该整流二极管的测量阻抗zx。
[0082]
在本发明实施例中，步骤3包括：
[0083]
由整流二极管的等效电路拓扑，可得到整流二极管的阻抗表达式z为：
[0084][0085]
式中，z为整流二极管的阻抗，r、c、l分别为整流二极管模型中对应的寄生电阻、寄生电容、寄生电感的等效参数，ω＝2πf，f为频率。
[0086]
所述步骤4包括：
[0087]
将由器件的等效电路拓扑获得的阻抗z的表达式转化为其阻抗幅值z
x
的表达式，然后将z
x
作为待优化rlc参数的原始函数，测量获得的阻抗数据zm为样本。设等效电路模型阻抗幅值z
x
的表达式为：
[0088][0089][0090]
其中，d是空间尺寸，其中，d是空间尺寸，和分别表示第j个分量xj的最大值和最小值。f为自变量，z
x
为因变量，x1,x2,x3,..xd为待定参数，本文中即为阻抗等效模型的rcl参数。将差分进化算法应用于器件等效阻抗的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：
[0091][0092]
其中为测量获得的阻抗幅值，是噪声源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。
[0093]
所述步骤5包括：
[0094]
对于初始种群随机产生：
[0095][0096]
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。
[0097]
所述步骤6包括：
[0098]
差分进化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。然后将差向量加到第三个个体上，产生突变，如下所示：
[0099][0100]
其中f是诱变因子，xi(g)是g代种群的第i个个体。
[0101]
所述步骤7包括：
[0102]
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：
[0103][0104]
其中j
rand
是[1,2,3
…
d]中的随机整数，cr是交叉概率。
[0105]
所述步骤8包括：
[0106]
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。
[0107][0108]
所述步骤9包括：
[0109]
设x(g 1)中的最优个体为x
best
(g 1)，当差分进化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3.3，再次进行变异、交叉和选择。
[0110]
在本发明实施例中为验证发明方法的实用性与可行性以及差分进化算法的优越性，现对此整流二极管分别采用差分进化算法和遗传算法对其进行高频电路建模。【mengxia,z,yang,z,wei,y.investigation on conducted电磁干扰noise source impedance extraction for electromagnetic compatibility based on sp-ga algorithm[j].iet power electronics,2019,12(7):1792-1799】已经应用遗传算法进行了相关的模型优化工作。为使差分进化算法和ga算法的建模比较相对公平，进行算法设置时将遗传算法和差分进化算法中的种群大小和交叉率均设置相同，分别为100和0.7，优化的初始值也一致。实测采样点个数设为500个，测试频率为9khz-300mhz。由于阻抗测试时没有导通电压，因此二极管处于关断状态，此时测得的阻抗值即可看作是该二极管的寄生阻抗。整流二极管的等效电路参数如表1所示，二极管寄生阻抗与实测对比如图4所示。
[0111]
表1
[0112][0113]
由图4可知，差分进化算法在9khz～300mhz频率范围内的建模精度优于遗传算法，模型仿真结果与实测值体现出良好的一致性。同时，由表1可知差分进化算法在运算速度上也优于遗传算法。仿真与实测表明，采用差分进化算法建模的整流二极管等效电路模型的寄生阻抗与实测结果只存在很小的误差，在9khz-300mhz的频段内与实测基本吻合，可以较为准确的反映出该二极管的静态特性。
[0114]
如图5所示，二极管模型采用交流方波激励，其v
peak
＝50v，v
dc
＝0v，freq＝200hz，负载r
load
＝50ω。如图6所示，当二极管模型正向导通时其阻抗非常小，因此二极管模型两端电压接近0v，当二极管模型反向截止时，其阻抗远大于负载r
load
的阻抗，因此几乎分得所有来自源的电压，此时二极管模型两端电压约为50v，由此可见该模型具有二极管正向导通反向截止的动态特性。二极管模型电流仿真结果如图8所示，在导通时达到最大，约为1a,在截止时则最小，约为0a；同时由图8可见二极管从导通到截止的瞬间出现电流反冲,且反向恢复时间约为0.02μs，由该整流二极管数据手册可知其最大反向恢复时间t
rr
＝1.5μs(如图7所示)，因此该模型的反向恢复时间符合其数据手册的描述，可以在一定程度上反应二极管的反向恢复特性。模型伏安特性仿真与数据手册如图9和10所示，虽然在数值上存在一些偏差，但趋势相同。因此该模型能基本反应二极管的动态特性。
[0115]
综上所述，本发明提供的一种基于差分进化算法的整流二极管高频电路建模方法能准确反应整流二极管的静态和动态特性，实现了整流二极管的高频等效电路建模，可以解决高频状态下二极管理想模型精度低，无法反映器件高频特性等问题，具有重大的实践意义。
[0116]
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。