（电力电子与电力传动专业论文）功率变换器电磁干扰的建模.pdf

浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nm o d e l i n gt e c h n i q u eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) f o rp o w e rc o n v e r t e r s i t i n c l u d e s f o l l o w i n gm o d e l i n g w o r k s f o r ：p o w e r s c n l i c o n d u c t o r s ，p a s s i v ec o m p o n e n t ，p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) ，c o n d u c t e de m i ，a n d i a d i a t e de m i o f p o w e r c o n v e r t e r s ih ee x i s t i n gh i g hf r e q u e n c ym o d e l so f p o w e rs e m i c o n d u c t o r sa r e n ts oa c c u r a t e t h a t t h e yc a n t b ea p p l i e di nc o n d u c t e de m is i m u l a t i o n t oi m p r o v et h e s em o d e l s ， b a s e do nd e t a i l e dm e c h a n i s ma n a l y s i s ，h i g hf r e q u e n c ym o d e l so ft w o t y p i c a lp o w e r d e v i c e s - d o u b l ec a r r i e r sp i nd i o d e sa n d s i n g l e c a r r i e r p o w e rm o s f e ta r e p lo p o s e d f o re m is i m u l a t i o n f o rt h ep i nd i o d e ，i t sm a j o rt r a n s i e n tb e h a v i o r sa r e f o r u a r dv o l t a g e r e c o v e r ya n dr e v e r s ec u r r e n tr e c o v e r y t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e s t h e s e p e r f o r m a n c e sb yl u m p e d c h a r g ea p p r o a c h ，a n dt h e nd e v e l o p e da ni m p r o v e d l m n p e d c h a r g e m o d e lf o rp i nd i o d ea n da c o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r e x t r a c t i o n a p p r o a c h ，w h i c h c a nr e d u c ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n ta n de n h a n c ep a r a m e t e ra c c u r a c y i n a d d i t i o n ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a n g eo fi n t e r e l e c t r o d ec a p a c i t a n c e sa s c h a n g i n gw o r k i n gc o n d i t i o n ，as u b - c i r c u i tm o d e lf o rap o w e rm o s f e t i sd e v e l o p e d a n da l lm o d e l p a r a m e t e r sc a n b e e a s i l ye x t r a c t e db yd a t as h e e t c o n d u c t e de m ii n c l u d e st w o m o d e s ：d i f f e r e n t i a l m o d e ( d m ) a n dc o m m o n m o d e ( c i v l ) t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r da na c c u r a t e l ym o d e l i n ga p p r o a c h t h e s et w o k i n d so fi n t e r f e r e n c e sh a v ed i f f e r e n ts o u r c e sa n d s p r e a d i n gp a t h t h e i rs i m p l e ! i n l c d o m a i nm o d e la n df r e q u e n c y d o m a i nm o d e la r eb u i l ti nt h i sd i s s e r t a t i o nt o o ， w h i c hp r o v i d e st h e o r yf o u n d a t i o nf o rq u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v ee m ia n a l y s i s a i m i n g a tt h ef e a t u r eo fc mi n t e r f e r e n c ei np o w e r c o n v e r t e r s ，an e wa p p r o a c h i n t r i n s i cd y n a m i cn o d e sp o t e n t i a lb a l a n c ei s p r o p o s e d b yb u i l d i n gn o d ep a i rw i t h b a l a n c e p o t e n t i a l a n d m a k i n g u s eo ft h ei n t r i n s i c s t r a yc a p a c i t o r o f p o w e r ；e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，t h ec mc u r r e n tc a nb es u p p r e s s e de f f e c t i v e l y t h i sa p p r o a c h c ar lb ea p p l i e di ns e v e r a lk i n d so f p o w e r c o n v e r t e r s i nt h er a d i a t i o na s p e c t ，t h ef e a t u r e s0r a d i a t i o ns o u r c e si np o w e rc o n v e r t e r sa r e d i s c u s s e dt h er a d i a t i o nm o d e l so fd mc u r r e n ta n dc mc u r r e n ti nc a b l e sa n d j a d i a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fc a b l e sa n dh i g hf r e q u e n c yc u r r e n tl o o p si nt h ec o n v e r t e r a r e ：j l s od i s c u a s s e d k e ) 、o r d s ：p o w e rc o n v e r t e r , e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，m o d e l 第一章绪论 第一章绪论 在当今功率变换器得到广泛应用和迅速发展的同时，伴随着它的电磁兼容问 题也越来越严重。各种国际和国内的电磁兼容标准和规范的相继强制执行，更使 得功率变换器的电磁兼容成为一个匾待解决的问题。 功率变换器的电磁兼容问题是门边缘科学，在电力电子领域中起步晚，研 究尚不充分。本章首先介绍了一些有关电磁兼容的背景知识，然后着重阐述分析 厂国内外对功率变换器电磁兼容问题的研究现状，最后提出了本文立论依据，总 结了所做工作及介绍了本文的结构安排。 1 1 电磁兼容背景2 1 1 3 1 电磁兼容( e m c ) 的历史是从1 9 世纪开始的。最早出现的电干扰现象是单 线电报间的串扰。希维塞德于1 8 8 1 年写的“论干扰”的文章可算是最重要的早 期文献。后来随着电气运输中通信线与不对称的强电线之间平行运行的干扰问题 的日益严重，在德国和英国出现了专门研究通信干扰问题的机构1 。而随着电气 与电子技术的迅速发展，电磁兼容问题研究的深度和广度也日益拓展。有关电磁 兼容的定义很多，国际电工委员会( i e c ) x 寸其的定义为：设备或系统在其电磁环 境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。根据 该定义，电磁兼容研究的问题包括的两个基本范畴是：电磁干扰性( e m i ) 和电磁 敏感1 生( e m s 、。而从干扰传播的形式区分，又包括传导和辐射两种。因此，电磁 兼容问题总的可以划分为传导e m i 、传导e m s 、辐射e m i 、辐射e m s 四个方面， 由此衍生的还有测试技术，仿真技术等。针对这些问题，许多国家和国际组织都 在做着大量的工作，如国际电工委员会( i e c ) 、国际无线电特别委员会( c i s p r ) 、 国际电气电子工程师学会电磁兼容专业学会( i e e ee m c s ) 、德国电气工程师协 会等。而自1 9 7 8 年起，i e e e 开始举办e m c 专业年会，更是极大的促进了电磁 兼容问题的交流和发展。为了规范电气电子产品的电磁兼容性，有关国际组织和 各国政府纷纷制定了各自的e m c 标准，如国际无线电特别委员会的c i s p r 标准 1 4 ，i e c 6 1 0 0 0 标准，欧盟的e n 系列标准【5 1 1 6 i ，美国联邦通讯委员会f c c 系列标 准l j ”，m i l s t d 一4 6 0 美国军用标准，德国工程师协会v d e 标准以及我国的国标 ”埽口军标 9 i 等等。在1 9 9 1 年，欧盟规定从1 9 9 6 年开始，所有投放欧盟市场的电 器电子产品必须符合e m c 指令的要求，否则不能进入欧盟市场流通。这一措施 带来的深远影响就是使上至各国政府，下至电路设计工程师们，开始重视e m c 问题，也极大的促进了e m c 研究的发展和知识的普及。 浙江大学博： 学位论文 我国也有许多组织，如全国无线电干扰委员会，中国电源学会电磁兼容委员 会，：e e e 北京分部电磁兼容分会等，在从事着有关e m c 方面的工作。我国的国 家f _ m c 标准电已经制定并逐步实施。所有这些都促进了我国电磁兼容的研究和 发i 。但总的来说，由于起步较晚和我国工业技术不够发达，目前国内的e m c _ ：i j 兜仍然不够，在功率变换器e m c 的研究方面与国外差距还是很大的。 1 2 功率变换器的电磁兼容 2 0 0 42 0 0 62 0 0 b y e a r 酬1 - 1 电力电子技术中增加开关频率减小尺寸的技术发展趋势“ 助率变换器因为其良好的节电功能和灵活多变的电能变换形式自上世纪7 0 ；代以来获得了广泛地应用和迅速地发展，但同时也带来了e m i 的问题。e m c 环准观定的传导e m i 的频率范围在9 k h z 3 0 m h z 之间，辐射e m i 的频率范围则 庄3 0 m h z 1 0 0 0 m h z 之间。而今天，绝大多数的功率变换器的开关频率在 5 0 k i t z 1 m h z 之间，它们的正常工作频率就在传导e m i 的范围内，虽然开关频 筝不高，但功率变换器处理的电压电流信号强度远比一般的数字处理电路大的 多，这使得功率变换器的e m i 问题有时甚至比数字处理电路更加严重。更加引 人注目的是，功率变换器仍在不断朝着高开关频率、高效率、高功率密度的技术 可f 日前进。其中尤以v r m 技术【1 0 l l 的发展带来的冲击最大，因为要满足奔腾 ( ? p 【，处理器发展对v r m 的高频低压大电流的要求，v r m 中电流斜率已经达到 j 7l a n s ，未来将达到5 m n s ，这对电磁兼容的设计更是一个巨大的挑战。根据 i d m 专 ( b ) 图1 - 2 几种测量差模，共模干扰的装置【1 9 】| 2 1 h 2 2 v d m i d m 测量传导干扰电压是最终的结果，但传导干扰有差模电流和共模电流两种传 脂万式，两者产生的机理、传播的途径和所起的作用都不一样，因此有必要能够 分别测量这两种电流。文【1 7 1 8 】中就分别提出了两种测量共模电流的技术。但 这还是不够的，文 1 9 】 2 0 】 2 1 】 2 2 2 3 】中提出了几种可以测量差模和共模干扰的 装臀，如图1 2 所示。其中，图( a ) 【1 9 1 【2 0 1 和图( b ) 通过在变压器副边加减两线上 l t 9 h 尤电压来分别得到差模电压和共模电压，而图f c ) 2 2 ) 1 2 3 】则是通过在变压器原 也隔离共模电流和差模电流来得到差模电压和共模电压。除了硬件的方法，也可 以通过软件的方法1 2 4 来分别获得差模干扰和共模干扰。 一 笙二望堕堡 一_ _ _ w - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ 1 3 2 电磁干扰的机理研究 有关功率变换器电磁干扰的产生、传播的机理的文献【2 5 1 【2 6 i t 2 7 】 2 8 】【2 9 】 3 0 心1 大部 分是一一般性原理的阐述，其中文 2 5 e 0 所揭示的由地电流引起的非内在差模电流 的机理较引人注目。该文指出，在离线式开关电源中，当整流桥导通时，地线中 的电流就是共模电流；但在整流桥二极管关断时，相线和中线的阻抗不平衡，导 致地线中的电流只有一条回路，即地线电流实际上成了差模电流，其传播的路径 如图1 3 所示。图中，滤波电容用电压源v 2 代替，电感瞬态电压则用电压源v 3 代替，c d 表示m o s f e t 漏极对地分布电容。在交流侧并联x 电容可以抑制这种 e 内在差模电流，如图1 - 4 所示，其它的方法文 2 6 中有详细阐述。 c c ( a ) m o s f e t 导通一关断 ( b ) m o s f e t 关断一导通 图1 - 3 非内在差模电流的产生f 2 5 】 图1 4 非内在差模电流的抑制f 2 6 】 1 3 3 电磁干扰的建模 1 3 3 1 传导e m i 的建模 文献 3 5 】 3 6 【3 7 】 3 8 3 9 【4 0 】【4 1 在功率变换器的传导e m i 建模方面做了 些研究，它们的思路都是基于抽取电路中的寄生元件后进行电路瞬态行为仿真得 到电路的传导e m i 。但它们存在着以下的一些缺点和不足： r_，i， 浙江大学博士学位论文 | 它们在建模过程中直接采用了电路仿真软件中现有的功率半导体器件( 包 括p i n _ 极管，功率m o s f e t 和i g b t 等) 模型，而目前这些模型并不能很好 地反映器件真实的高频工作特性，也就是说它们并不适合于用做传导e m l 的仿 冬j 列如，s p i c e 中的二极管模型就不能模拟它的反向电流恢复特性，而常用的 尖速恢复功率二极管的反向恢复电流往往大于正向导通电流，且强烈地作用在传 导e m i 的频率范围内：另外，目前并不存在真正意义上的功率m o s f e t 的高频 ，嗅型，都是用4 , 4 9 号的m o s f e t 的模型来代替使用，而两者的结构和高频特性 怕芽县远：而以功率m o s f e t 和p i n 二极管为基础的i g b t 的高频模型就更加 小精确了。由于功率半导体器件的高频开关波形是功率变换器中主要的传导干扰 塬，果朋目前的这些器件模型建立的传导e m l 模型必然存在较大的误差。 二它们采用i n c a 软件来抽取p c b 板的寄生参数，但i n c a 软件只能计算分 “j i l 感，不适合计算分布电容。在传导干扰的传播中，通常分布电感决定差模干 忧的犬小，分布电容则决定共模干扰的大小。这就决定了上述文献中的模型不能 艰好地处理共模干扰的问题。 当丌关电源中的元件及其安装都已确定以后，杂散参数的提取有赖于 m a x w e l l 方程组的精确求解，求解方法归纳起来可分为两大类：数值方法和解析 方法，有限元法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 和矩量法( m o m ) i ”l 是目前使用最多 的：种基本数值计算技术，由此衍生出了许多的数值方法，如：频域有限元法【3 ”、 边辫有限元法、时域有限差分法1 3 4 i 、频域有限差分法等等。这些方法各有利弊， 适川j + 不同的场合，必须选择使用。 j 这些文献采用的都是时域电路建模的方法。它们将获得的所有的寄生元 件都放入电路中进行瞬态波形的仿真，因此它们所得到的模型电路元件多而繁 杂。这是因为它们未能深入地分析传导干扰的产生和传播的机理，无法判断哪些 寄生元件是主要的，哪些是可以忽略的，因而只是盲目地去抽取所有的寄生参数。 从l m 既增加了建模的工作量，又增加了仿真所需时间。而由于上述的两个缺点， 这样的模型电路仍然得不到很好的干扰预估值，其误差大多超过了1 0 d b u v 以 精度较差。 4 由于采用的是时域建模的方法，这些模型都无法清晰地分析电路中各变 量列二f 扰影响。因此，在这些文献中也就是简单地阐述了一些共模和差模的机理， 或肯仅是在改变了些电路参数与p c b 参数后，通过测量或仿真得到的结果来 得刮些简单的结论，并不能做一个全面的分析。 针对目前功率变换器传导e m i 建模存在的上述四个方面的问题，本文分别提 照 j 7 相应的解决方案。 1 3 3 2 辐射e m i 的建模 辐射干扰是一个复杂的电磁场的问题，必须根据电路的不同特性和导体的不 同l 何结构来建立各自的模型。不同的干扰传播方式具有不同的辐射特性， 第一章绪论 c l a y t o n rp a u l 在文 4 3 1 1 4 4 1 中指出，共模电流产生辐射的能力远大于差模电流产 生辐射的能力，这个结论在2 0 0 m l l z 以内，对p c b 板上带有1 0 m h z 时钟信号的 窄带谐波作为噪声源的电短导体都是有效的。从那以后，不少文献 4 7 1 1 4 ”尝 试通过获取共模电流来建立电路的辐射模型，文 4 5 1 中在测量p c b 板共模电流的 基础上建立了远场辐射的解析模型，文 4 7 中给出了带电缆的p c b 板的辐射模 型，文 4 8 j n 通过分析p c b 板时钟带上的共模电流的时域信号推导出了辐射的解 析模型。 目前真正与功率变换器的辐射建模有关的文献1 4 9 1 【5 0 h 5 i 胆心1 不多。文 4 9 】中介 绍了两种计算电力电子电路近场干扰的方法，给出了时域和频域的计算结果，但 显见的是在3 0 m h z 以上误差很大。文 5 0 1 1 5 1 给出了两种计算开关电源e m i 近 场干扰的模型：一种基于传输线方程的传输耦合模型；另一种基于偶极予计算方 法的近场辐射模型。文 5 1 】中还分析了不同负载状态下近场的变化，指出了负载 大小决定了近场辐射的性质，可以为选择屏蔽材料的特性提供参考。另外，这些 模型的缺点是采用了频域的方法，不适合对不规则的功率变换器的干扰电流进行 求解。为此，文 5 2 仲针对不规则瞬态开关电流，提出了直接矢量势时域解析法， 并指出了该解析法与偶极子法及行波分解法是一致。然后，在此基础上建立了斩 波电路换流过程的环路瞬态电磁场的时域解析模型，而且该模型充分考虑了瞬态 电流在环路上传播的时间延迟。这种模型的优点一方面是利用瞬态电流求解瞬态 电磁场，再做f f t 就可以得到需要的电磁场频域解，更适合功率变换器干扰的 分析；另一方面是考虑了时间延迟效应的模型的频率应用范围可以大大拓展。另 外，文 5 3 中通过对一个半桥电路开关过程的分析，指出功率开关器件的输出电 容和电路中的寄生电感之间的振荡电流是功率变换器的辐射机理之一，并建立该 现象的辐射模型。 总的来看，这些研究工作存在的缺点和局限性如下： 1 它们部是在大大简化研究对象的条件下用解析的方法求解m a x w e l l 方程 组完成的，仅适合在布线较规则的开关电源和较低频率下使用。 2 它们都只是仅仅研究了高频电流回路的辐射建模，而没有系统地对功率 变换器中其他的辐射源进行建模和比较分析。 3 在共模电流对辐射的作用方面，尚存在认知上的不足。 本文则针对功率变换器的特点，从理论上系统地探讨了这些问题。 1 3 4 电磁干扰的抑制技术 功率变换器的电磁干扰的抑制技术是当前研究的一个热点，所提出的方法也 种类繁多。 1 逆变器共模干扰的抑制技术 由于p w m 逆变器输出的三线中点存在共模电压，使得由其驱动的交流电机 浙江大学博士学位论文 ：p 会向共模电流流过轴承，严重减小了电机的工作寿命。抑制该共模电压有无源 j 虑0 i 有源滤波两种方法。前者5 4 1 1 5 5 1 1 5 ”1 通常是将d c 链上的静态中点引入到 瑜 ：源滤波器的中点，从而降低逆变器输出侧的d u d t 来减小共模电流，如图 j 5 罗i 示。后者i ”】的基本思想是通过y 形连接的滤波电容检测逆变器产生的共模 乜j j 人小，经过射极跟随器产生一个补偿信号，由共模变压器将反相的补偿信号 、- 入1 ：电路，抵消原来的共模电压，如图1 6 所示。文 5 8 则介绍了一种电流注 入，i f j 源e m i 滤波器用来补偿高频共模电流，其实质是通过引入共模电流负反 馈，增大反馈增益的方法来抑制共模干扰。实验结果表明两种方案都可以有效地 绛f 哎_ 卜扰水平。文 5 9 介绍了利用四相逆变器驱动三相负载的新型空间矢量控 川女牝，用于减小共模干扰水平。文 6 0 6 1 】提出的利用对称结构改变电路拓扑 以减, j , j l 模干扰的方法，实验证明将这种方法应用在三相逆变器和b u c k 变换器 ：f 1 i _ 5 ；叮以有效地降低共模干扰。 图1 - 5 共模干扰无源滤波方式【5 4 】 a c t i v ec o m m o nm o d e n o i ，s e c a n c e l i e r i 图1 - 6 共模干扰有源滤波方式【7 2 除了三相p w m 逆变器之外，在全桥逆变器输出侧同样存在共模干扰。文 6 2 中相输 “侧增加一个附加的双向开关来引入零状态，从而消除共模干扰。文 6 3 中则引入共模变压器等无源装置来减小共模干扰，但结构比较复杂。 第一章绪论 2 优化p c b 板结构 优化p c b 板的结构是成本最低，也最有效的减小e m i 的方法之一。文 6 4 6 5 中给出了一些功率变换器中简单的p c b 板布线规则可供参考，但这些方法过于 笼统，实际中难以运用。针对这一情况，文 6 6 6 7 6 8 】中提出了耦合系数的概念， 用它来反映导线问的干扰强度，通过实时计算耦合系数能为p c b 的优化布线提 共一定的指导。但该耦合系数反映的只是线间的分布电容，而p c b 板上的其它 分布参数，包括线间互感，导线的自感和自电容都是影响e m i 参数。因此，如 何定义反映干扰的优化的参数仍然有待进一步研究。除了p c b 板的布线之外， 元器件的放置也是影响干扰的重要因素之一，文 6 9 通过仿真和实验的方法得到 了一些有价值的结论。 3 干扰反相消除技术 吴听在文 7 0 7 1 1 中阐述了共模电流平衡的观点，并指出电路中的主动节点是 主要的共模干扰源。在此基础上，提出了共模反相抑制技术，其在b o o s t 电路中 的应用如图l 一7 所示。在b o o s t 电感上增加一个1 ：1 的反相绕组，该绕组被接 到一个附加的功率m o s f e t 上，而附加的m o s f e t 与主电路中的m o s f e t 同 样被安装在个散热器上。这样，流过两个功率管的共模电流互相抵消，抑制了 输入侧的共模电流。同样，反相技术也可以用于差模干扰的消除，可参考文 1 3 】。 图1 - 7b o o s t 变换器共模干扰反相消除电路” 上述的反相技术由于需要增加额外的电感绕组和功率m o s f e t 而略显烦琐， 本文对此进行了改进，并提出了一种新的可以推广到多个拓扑中使用的共模干扰 抑制方法。 4 其它干扰抑制技术 可以将以上的手段归类为利用外部的方法减小干扰，而改变控制方式，驱动 电路以及缓冲电路则是内部减小干扰的方法。 采用随机p w m ( r p w m ) 技术【7 4 】【7 5 1 【7 6 l 【7 7 l 可以分散干扰的功率频谱，从而 达到减小高频谐波的幅值和e m i 的目的。 浙江大学博士学位论文 作改进驱动电路方面，文 5 3 】中提出了一个幽协控制的驱动电路，利用该电 踏能够减小产生辐射干扰的d u d t 。文 7 8 7 9 1 提出了利用增加额外的电流源实现 分刊控制漏源电压和漏极电流变化率的方法，获得开关损耗与干扰水平的折衷方 案，目这种方法可以在保证电路性能的条件下减小装置的传导干扰水平，但大大 地j 吖夫r 驱动电路设计的复杂程度。 接地，滤波和屏蔽技术在功率变换器中的应用在文 8 0 1 中详细阐述。 1 3 5 滤波器的研究 e m i 滤波器是抑制电磁干扰的主要手段之一。e m i 滤波器设计不合理，轻 则：反过来增加电路中的干扰，重则使电路】，作不稳定。传统的滤波器用插入损 耗水表示其滤波的性能，而插入损耗是在源阻抗和负载阻抗都是5 0q 的条件下 定辽的。实际在功率变换器中使用时，功率变换器的干扰源阻抗和网侧负载阻抗 都1 、可能是理想的5 0 q ，而是复杂的频变函数。文 8 1 中提出了采用插入损耗 的匀法测量变换器的噪声源阻抗，而且区分了共模干扰源阻抗和差模干扰源阻抗 的= f f 念，这为e m i 滤波器的设计提供了基础，但在对功率变换器的电磁干扰模 ，吵没有准确的认识的情况下，两种干扰源的阻抗实际上无法正确获取。针对插入 损f t 在实际e m i 的设计中无法应用的情况，文 8 2 提出了用更基础的阻抗矩阵 代铸插入损耗表示滤波器的特性。同样，它也将e m i 滤波器分解成差模和共模 油爿：分，然后用h p 4 1 9 4 a 测量滤波器的阻抗。显然，在已知了干扰源，网侧和滤 波器的阻抗后，就可以计算有效的插入损耗了。e m i 滤波器中元器件的寄生参数 是够化其滤波性能的主要因素，文 8 3 中研究了寄生参数对e m i 滤波器高频特 性的影响。因为以上这些原因，e m i 滤波器的设计方法也与传统滤波器不一样， 文【8 1 中将其归纳成五个步骤，可以作为一种模式进行推广。 l 力率变换器不仅要满足高频e m i 的规范，而且也要满足低频谐波的规范 i e ( 1 610 0 0 3 2 。谐波滤波器【8 5 】【8 6 】f 8 7 】的设计同样也存在阻抗不匹配的问题，但噪声 阻抗的提取更容易，寄生参数对滤波器性能的影响也不是很严重。 i 3 6p c b 板e m i 优化的c a d 技术 p c b 板的优化设计对减小e m i 的影响很大，而且这也是最节约成本的方法。 乃此，发展相应的c a d 技术是今后的一个重要研究方向。 ，艾f 8 8 1 提出借助电磁计算软件提取印刷线路间的杂散参数，结合元器件的高 顿槌掣建立电路的e m i 仿真模型，用电路仿真软件( s p i c e 、s a b e r 等) 预估干扰 水、h 若于扰水平超出标准规定限值就重新修改设计。这种方法的有效性不但很 足w 搜上受电路e m i 模型精度限制，而且不能向设计人员提供明确的设计指导， ，娄垫本设计思想实际上是把尝试性的设计方法从硬件平台移植到了软件平台上， 第一章绪论 仍属于一种被动的设计思想。文 9 5 中就提出了将寄生参数引入电路仿真软件r 扣 的实现方法。 文 8 9 提出了一种基于专家系统的e m c 解决方案。系统通过读入p c b 板的设 计文件，经计算后辨明p c b 板上的干扰区，根据知识库给出可能的解决方案。然 而这种方案停留在论文阶段并没有看到最终的实现报告。 文 9 0 】、 9 1 利用现有的p c b 自动布线软件包和s p i c e 仿真器实现了一种具 有e m c 设计能力的p c b 计算机辅助设计软件包，并能给出相应的e m c 性能指 际参数。然而该软件包以最短路径为e m c 优化布线设计的目标函数是不恰当的。 文f 9 2 介绍了一种前级为功率因数预校正电路的功率变换器的传导e m i 的 仿真软件，但它只能处理差模干扰问题。 文 6 7 6 8 提出了一种基于电场分析的开关电源印刷电路板e m c 软件辅助 没计方法，其基本思想是根据干扰电场的分布图来安排导线的大致位置，依据实 时的耦合系数计算结果来及时地调整导线的方向、大小、形状，使工程师在布线 没计过程中就将潜在的干扰问题解决掉，而不是等产品试制成功但不能通过 e m c 标准时再采取补救措施。6 7 在耦合系数计算的基础上利用基因算法实现了 最优布线，但文章仅涉及了减小电场干扰方面的内容，进一步的研究还有待发展。 文 9 3 】提出一种组合的计算机辅助设计软件包c c a d ，声称利用该软件在设 汁阶段就可以对电子设备的p c b 板产生的辐射电平进行可靠的预测。文 9 4 则尝 试应用神经网络的方法分析、预测不同p c b 板的e m l 辐射水平，从而指导电路 扳设计。 上述这些研究工作，虽然大大推动了p c b 板计算机辅助e m c 设计研究工作 的发展，但总的来说该方向的研究工作发展得还很不成熟，仅仅处于起步阶段。 除了上述的研究领域之外，还有些学者通过实验比较方法研究了功率变换器 的e m i 问题。文 9 6 】 9 7 中分别比较了b u c k 电路和三相逆变器在不同的电路参 数下的e m i 变化；文 9 8 】中测量比较了一个l k w 的分布电源系统各部分的e m i ； ：z 9 9 1 q a 则研究了散热器对功率变换器辐射干扰的影响。这些工作都有其借鉴 性，但仍然缺乏系统的分析。 1 4 论文立论的依据及主要研究成果 在功率变换器领域，对其e m i 的研究是目前较薄弱的一个环节。而随着国际 和国内各种e m c 规范的强制执行，认知和解决功率变换器的e m i 问题成为非常 紧迫的课题。研究功率变换器e m i 问题值得深入的领域很多，如测试技术，建 模技术，抑制技术，p c b 板优化技术等。但其中最基础的莫过于建模技术，它 浙江大学博士学位论文 义涉毖到干扰机理的研究、寄生元件抽取技术、器佴物理、电磁场理论、电路理 沧锋冈此，建立功率变换器的e m i 模型是一门综合性的，富有挑战性的工作。 建j ：功率变换器的e m l 模型一方面可以使预估干扰成为现实，减小e m c 设计时 内百动性，另一方面为滤波器和屏蔽技术的应用提供了参考。因此，这项工作的 圩腱也非常具有紧迫性。 本文在总结前人工作的基础上，系统、深入地研究了功率变换器的e m l 建模 川题主要完成了以下几个方面的工作： j 由于功率半导体器件是功率变换器中主要的干扰源，但在目前的电路仿 其较9 1 ：r l ，并没有适合做传导e m i 仿真的功率器件的高频模型。因此，本文首 圯“器件的机理出发，针对两种典型的器件，少子工作的p i n 二极管和多子工作 的m o s f e t ，提出了新的功率p i n 二极管和功率m o s f e t 的高频模型和参数抽 取万法。 2 指出了建立精确的传导e m i 时域电路模型的方法和步骤。 3 根据共模干扰和差模干扰的不同机理，分别提出了它们简化时域电路模 1 型，洲深了寄生元件对传导干扰的认识。 4 在简化的时域电路模型的基础上，提出了频域电路模型，并对其进行了 分析，为系统和深入地定性和定量的分析各电变量和器件参数对电磁干扰的影响 提供r 理论指导。 5 在电路传导e m i 建模和反相抑制技术的基础上，提出了内在动态节点电 位、孵共模e m i 抑制技术，该技术可以推广应用到多个基本的拓扑中。 6 在辐射的建模方面，系统地讨论了功率变换器各辐射源的建模问题，修 ；f ： 搿人一些不确切的观点。指出共模电流的辐射能力因具体的结构而异，并不 定比差模电流的辐射能力更强；而电缆与p c b 板的高频电流回路的辐射本质 是样的，它们在功率变换器中对辐射的影响都不容忽视。 1 5 论文的结构 论文各章的内容概述如下： m 二章建立了p i n 二极管的高频模型。本章首先介绍了一些半导体器件物理 蕃础然后详细分析影响p i n 二极管高频性能的一些主要机制，其中包括电导调 制投j 皿正向恢复电压，反向恢复过程一反向恢复电流，边界移动效应。在总结 厂现有的建模技术的基础上，提出了一种改进的集总电荷的p i n 二极管高频模 型，并对前人的模型参数抽取技术进行了改进，可以利用更少的实验和采用曲线 拟合的方法更有效的抽取模型所需参数。 弟二掌建立了一种新的功率m o s f e t 子电路模型。本章首先简要介绍了功率 m o s f e t 的工作原理，m o s 电容结构和原理。在此基础上，对影响功率m o s f e t 第一疆绪论 开关特性的非线性极间电容进行了分析，然后以小信号l d m o s 为内核，建立了 用于高频仿真的功率m o s f e t 子电路模型，并提出完全利用产品的数据曲线抽 取模型参数的方法。 第四章讨论了无源器件憨高频模型豹趣题。本章罄先麓单讨论了瞧陵器帮泡 容器的寄生参数和频率特性。然后分析搽讨了磁性元件寄生参数的抽取和蕊频模 型的建立。 第五章研究了功率交换器传导e m i 的建模和慕模e m i 抑制技术。本章首先 在麓要禽绍了骞关救国器标准。然磊讨论了功率变换器传嚣e m i 翡予撬源帮传 播的模式。本章的重点则是分别研究了蒺模于扰和共模干扰主导的功搴变换爨的 传导e m i 的模型建立，模型的简化和频域分析。最后提出了采用内在动态节点 电位平衡的观点抑南8 传等共梗干扰的技术。 第六章讨论了功率交换器辐羹雩e m i 静建模游题。本章首先概述了偶极子天线 的辐射原理。然后建立了功察变换器数各辎射滚款模型著分专厅了它l f 3 黪辐射特 点，从理论上修正了前人关于共模电流对辐射的影响和电缆在辐射中的作用的不 确切的观点，并用一些简单的仿真做了验证。 第七肇是对论文工 乍的总结和对后鬻工作的展望。 参考文献 1 1 】高攸纲，“电磁兼容总论”，北京邮电大学出版社，2 0 0 1 ，北京。 i 嗣繇梅牮，“窀磁兼容实焉手麓”，橇槭工渡融版丰圭，2 0 0 0 ，j 京。 1 3 】“电磁簸容标准实施指意”，中国标准出敝 圭，1 9 9 9 ， e 裘。 f 4 jc i s p r 2 2 i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i e a lc o m m i s d o n ，“l i m i t sa n dm e t h o d so fm e a s u r e m e n t o f r a d i od i s t u r b a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f i n f o r m a t i o n t e c h u e l o g ye q u i p m e n t ，1 9 9 3 【5 j ajm a d d o c k s ，“r e c e n td e v e l o p m e n ti n e u r o p e a ne m cs t a n d a r d s ”，p r o c e e d i n g o f9 ”1 i n t e n m t i o n a l c o n f e r e n c e o 1 e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y , 1 9 9 4 ，弹，1 6 8 - 1 7 3 ， f 6 1 “欧洲电磁兼容法规、标准与执行”，国家技术监餐局标准化司和仓国无线电干扰标准技 术委员会，1 9 9 4 年1 0 月。 f 7 】f c cp a 如1 5 ，“f c cr u l e sf o rr 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n gt h ep r o p o g a t i o no fc o n d u c t e d e m 【i np o w e rc o n v e r t e r s ”，i e e ei a s 2 0 0 0 ，p p3 0 9 1 3 0 9 6 16fl 一r a n ，jcc l a r e ，e ta 1 ，“m e a s u r e m e n to fc o n d u c t e de l e c t r o m a g n e t i ce m i s s i o ni np w m m o l o rd r i v es y s t e m sw i t h o u tt h en e e df o ra nl | s n ”，i e e et r a n s e m c ，v 0 1 4 i ，n o 1 ，p p s 0 - 5 5 ， r 由1 9 9 9 ， f 17j x i a o m i n gy e ，d a v i d m h o c k a n s o n ，e ta 1 ，“a c o m m o n * m o d ec u r r e n tm e a s u r e m e n t t e c h n i q u ef o re m i p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f p c b s t r u c t u r e s ”，c e e m 2 0 0 0 ，p p 3 8 9 - 3 9 3 8