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西安电子科技大学科研团队发表功率变换电路电磁兼容建模及抑制方

发布时间:2022-10-08 03:23:23 来源:乐动体育网页登录 作者:乐动体育网页全站App

  电力电子器件广泛应用于功率变换系统中,其快速关断产生的电磁干扰可影响整个变换系统的工作性能和效率,因此对功率变换系统进行电磁兼容建模分析和抑制研究十分必要。西安电子科技大学机电工程学院的研究人员赵玉虎、明正峰、韩彬彬,在2022年第7期《电气技术》上撰文,系统阐述功率变换电路的电磁兼容现象,分别从传导干扰、近场耦合和辐射干扰三种干扰类型总结电磁干扰的建模方法及其相关关键技术,综述电磁干扰抑制方法的研究现状,归纳现有建模方法和抑制方法的优势与瓶颈,为功率变换系统电磁干扰建模方法与抑制方法的进一步研究和应用提供参考。

  在现代电力电子技术中,由于快速开关器件工作时的开关频率比传统开关器件的更高,功率密度更大,使电力电子装置越来越小型化和高性能化,从而被广泛应用于功率变换电路中。功率变换系统的开关器件在开关瞬态过程中,会产生快速变化的电压和电流,高频电压和电流通过系统的寄生参数形成传导干扰并影响敏感源,更高频电压和电流信号通过空间电磁场以辐射干扰形式影响敏感源。

  随着电力电子变换器向高频、高功率密度方向发展,电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)问题日益严重。为了保证功率变换系统工作时具有良好的电磁兼容(electromagnetic compatibility, EMC)性能,需要在产品设计阶段进行电磁兼容预设计。传统研究EMC的方法是问题解决法和规范设计法,当功率变换系统出现电磁干扰后,再分析其原因,提出解决办法,有时甚至采取耗时耗力的试错法。

  针对功率变换系统的EMC问题,研究人员提出了区别于传统方法的系统设计法,如图1所示,通过对功率变换电路系统的建模,在设计阶段提出电磁干扰的抑制方法,从而大幅度提高系统效率和减小生产成本。

  电磁干扰耦合路径如图2所示,电磁干扰从源传播到接收机有四种耦合途径:源直接辐射到接收机;源直接辐射到与接收机相连的电源线缆或信号/控制线缆,电磁干扰传导至接收机;电磁干扰由源的电源线缆、信号或控制线缆辐射到接收机;电磁干扰通过公共电源线缆或信号/控制线缆直接传导至接收机。电磁干扰根据传播途径可分为传导干扰、近场耦合、远场辐射。

  传导干扰是功率变换系统的电磁干扰的主要来源,如图3所示,内部耦合和外部耦合的传导干扰发射占据系统EMI主要部分。传导干扰根据传播路径又分为共模干扰和差模干扰,如图4所示:在主回路传导的电流引起的干扰为差模干扰;同向传导并通过杂散参数对地回路电流引起的干扰为共模干扰。

  近场耦合干扰可分为电场耦合和磁场耦合两种,两者的能量通过寄生电容和寄生电感传输,并对应着感生电场和感生磁场效应,感生的电磁场越强,则干扰源越强,越容易建立耦合路径。远场辐射干扰是由电磁波的空间传输引起的。在开关动作瞬态过程中,这三种干扰同时存在并影响其他设备的正常工作。

  针对上述电磁干扰问题,研究人员提出了相应的EMC建模方法,并依据电磁干扰三要素,即干扰源、传播路径和敏感源,在电磁干扰抑制方面做了大量的研究工作。本文系统阐述功率变换系统的传导干扰及辐射干扰的建模方法和抑制措施的研究进展,总结不同建模方法的理论模型、实施方法和优缺点,归纳各类抑制措施的工作原理、实施途径和适用性,基于此,讨论功率变换电路电磁干扰建模方法和抑制方法的研究瓶颈和进一步研究方向。

  本文第1节总结功率变换系统电磁兼容的建模方法;本文第2节归纳功率变换系统电磁场干扰的抑制方法;本文第3节进行总结。

  功率变换系统传导干扰建模的常用方法为等效电路法。等效电路主要是指传输模型的电路等效,通过简化干扰源的发射特性和耦合通道模型,将设备间的相互耦合关系简化成电路分析中的一个等效传输模块的分析方法,并将其转化为可以导入电路仿真中的一个电路仿真模块,进行系统的场路完整分析。

  等效电路建模方法可分为时域方法和频域方法。关于时域方法,研究人员用基于物理结构或基于行为的设备模型表征噪声源。首先采取参数提取方法完善电路模型,然后使用Saber或Pspice等软件模拟该电路模型并获取干扰电流的时域波形,最后采用离散傅里叶变换得到预测噪声频谱。

  频域方法则采用替代理论,用噪声源代替原始开关,使电路线性化。传统方法将开关波形假设为梯形波来表征噪声源,而原始开关在高频的实际波形为振铃波形,则高频时预测的噪声频谱精度较低。目前均采用测量方法获取原始开关时域波形,获取的波形经过傅里叶变换到频域,从而进行电磁干扰频谱预测。

  在对功率变换系统的共模干扰和差模干扰进行等效电路建模时,关键在于提取电路寄生参数和干扰源参数。寄生效应参数提取方法可分为两类:通过部分单元等效电路(partial element equivalent circuit, PEEC)、模型降阶(model order-reduction, MOR)和Ansys等有限元数值方法仿真提取寄生参数;通过测试方法提取端口网络散射参数和电路阻抗参数。

  PEEC理论在1972年由A.E. Ruehli提出,它是基于积分的电磁场数值计算方法。

  有学者建立分析接地回路的电磁干扰的PEEC模型,研究了接地网两点间的阻抗特性。有学者拓展了PEEC在大尺寸接地回路阻抗特性领域的研究。有学者采用PEEC方法,建立三电平IGBT共叠层母线变流装置的等效电路模型,详细分析整流器和逆变器功率器件开关暂态电磁耦合影响问题。

  PEEC理论在电磁兼容领域应用广泛,但在非线性材料的理论建模、局部细节建模的计算成本和精度选择、趋肤效应损耗的近似等效等问题上存在瓶颈,有待进一步发展。有限元分析是基于电路特性的黑盒测量,例如二端口网络的s参数值和电路中的寄生参数。

  有学者利用Ansoft Spicelink软件提取电路中的寄生参数,该方法可以精确提取三维结构的RLC寄生参数,自动生成Spice等效电路,适合电路系统的综合分析。有学者采用Ansys软件的Cmatrix宏指令求解EMI共模、差模模块的电磁参数,该方法的分析速度快于前位学者的研究,但是求解精度低于前位学者的研究。模型降阶技术有利于等效电路表征,但这些电路是功能性的,与s参数一致,不利于对器件内部运行的物理洞察。

  寄生效应也可通过测量或测量和全波模拟联合获取。在实际应用中,设备电气设计参数难以获得,甚至如功率、工作频率等关键参数也无法准确获得,导致无法建立精确的电磁兼容性模型。为分析系统的寄生效应,提出一种通过测试提取设备谐波干扰特性、电源的噪声频谱等信息,进而建立电磁兼容性模型的方法。测试获取寄生效应的方法主要分为以下三类。

  有学者采用一种便捷的系统函数法,通过几次简单测试可比较全面地分析脉宽调制(pulse width modulation, PWM)调速系统中接地电流的EMI特性。有学者利用测出的开关电源典型耦合通道传递函数,有效地描述传导干扰耦合通道特性。有学者结合大量的实验测试分析干扰与开关动作的本质作用关系,确定主要的干扰源和耦合通道,进而建立简单的电路模型精确描述开关电源变换器的电磁干扰特性。这类通过多次实验测试获取规律性的解析式表达电磁干扰特性的方法,其建立的电磁兼容模型相比传统方法建立的模型更简化,精度更高。

  测试方法另一类应用环境是根据测试参数,建立等效电路。有学者提出一种频域模块化建模方法,建立诺顿等效电路,利用测试仪器获取传播路径参数,构建功率变换系统的电磁干扰预测模型。这类方法可以针对性地测试器件或模块的参数,减少实验测试的复杂程度,提高系统电磁兼容分析的可操作性。

  第三类测试方法可以直接描述器件的寄生效应。有学者通过对陶瓷电容器阻抗值和功率模块引脚的测量,获取并定义了器件内部的寄生效应。

  测试方法可结合计算方法和仿真方法来获取系统的寄生参数,适用于实际中复杂的工程。有学者综合考虑系统中电动机内部的耦合效应,通过实验测试与理论计算,建立电动机的高频等效电磁干扰模型。有学者采用测试获取端口网络s参数和有限元仿真寄生参数结合的方法,建立平衡阻抗和EMI滤波器共模插入损耗之间的关系,预测平衡阻抗取值。

  功率变换电路系统中,采用数值方法获取的电路的寄生效应参数可更全面、更精准地预测电磁干扰特性。但对实际的功率变换器而言,由于其开关瞬态性能、电路连线的三维结构及无源器件的非线性等因素的影响,数值方法对其进行精确描述比较困难,预测的电磁干扰精度存在一定误差,并且需要较大时间成本。

  采用实验测试方法获取电路的寄生效应参数可较快地对EMI进行定量分析,准确预测EMI的时域波形和频谱特性。但是测量仪器的分辨率、尺寸及示波器精度的限制,以及在较宽频段的测量中,测试回路存在的分布电容,均会影响测试结果。在对功率变换电路系统进行电磁干扰预测时,需根据实际装置选取相应的参数提取方法。对于复杂装置而言,结合实验测量和数值方法共同获取寄生效应参数是必然的趋势。

  近场耦合的变化遵循以下规律:在时间上,与电压电流的变化同步;在空间上,与物理量大小和印制电路板(printed circuit board, PCB)布线情况相关。基于此,近场耦合的能量传输可以采用矩量法、有限元等数值方法和实验测试方法进行建模分析。

  PEEC包含互感和互容,有利于近场耦合的建模。有学者采用PEEC方法主要考虑系统电路之间的互感耦合,而有的学者则专注于系统电路和地阻抗的耦合分析,为进一步完善系统级电磁干扰提供了理论依据。矩量法是功率变换系统EMC设计应用的理想方法,该技术相比有限元等其他技术具有更快的分析速度和求解精度。

  有学者针对电气设备间的互耦干扰和外部放射源产生的耦合干扰同时存在的情形,采用改进的最小方均二乘法结合矩量法,实现被测信号幅值、相位的优化计算。基于传统的数值方法,有学者提出一种具有横向分割的波形松弛技术和延迟提取无源紧凑电路宏模型的有效时域方法,该方法利用等效源的概念避免了复杂的解耦问题,提高了数值方法的计算效率和精度。

  近场耦合强度与耦合两者间的距离、相对角度有关,不易计算得出,可采用实测的方法确定。有学者采用加激励测试另一器件感应电压的方法获取功率因数校正电源与EMI滤波器间耦合互感,进而建立包含器件间磁耦合效应的高频电路模型。

  目前,在辐射EMI噪声分析方面大多采用远场测试、近场测试、电磁场仿真、统计方法及电磁场数值计算方法。

  功率变换系统辐射干扰的实验测试包含三类:TEM(transverse electro magnetic)、GTEM(gigahertz transverse electro magnetic)小室测量;近磁场测量;小频带扫描。有学者分别采用TEM小室测量、近磁场测量、小频带表面扫描分析了多芯片模块的辐射分布。TEM、GTEM小室方法可测量被试对象的详细辐射分布,但是无法给出辐射源的具体信息。近场探测方法可快速定位辐射源并初步描述辐射源。近场扫描方法可描述辐射源信息,获取详细辐射分布。

  现代高密度印制电路板的统计特性和复杂的布线,以及模拟和数字电路的混合配置,使多层相邻线路的天线效应无法被估计。基于此,统计方法被用来分析PCB的辐射发射特性。

  有学者提出一种利用轨迹定向函数估计PCB辐射磁化率,进而分析印制电路板电磁兼容性的统计方法。有学者采用无穷小电偶极子模拟PCB的辐射发射,基于偶极子模型的电流估计提出一种确定PCB功率分布的统计方法,该方法适用于复杂PCB结构辐射水平的快速检测。有学者采用一个简单的缓冲区对CMOS的传播延迟、功耗和瞬态行为进行建模,基于此提出一种统计方法估计超大规模集成电路系统的PCB布局的功耗分布和电力消耗图,可用于系统的电磁干扰分析。

  高速数字混合多层PCB设计需满足EMC设计标准,传统数值方法在分析这类问题时存在瓶颈,因此需要开发先进的电磁兼容建模方法。文献[42]针对多层印制电路板上的辐射电磁兼容耦合问题,提出一种新的数值建模方法Kron。Kron方法集成了电磁发射、泰勒和场互连耦合模型,可有效预测单层微带和多层PCB之间的宽带辐射耦合。

  电磁兼容性模型可分为两类,一类用于提取参数,另一类用于解决场及能量的分布问题。前者与“等效路”方法紧密相关,“等效路”中等效的传输模块参数需建立模型进行提取,将其转化为可以导入电路仿真中的一个仿真模块,进行系统分析。后者属于“场”的方法。“场”的方法是基于麦克斯韦方程直接求解系统电磁辐射问题,如有限元差分法、传输矩阵方法、矩量法和时域积分方程法等数值方法。

  有学者提出一种稳定的快速多极子方法,适用于模拟具有小尺寸几何特征物体的电磁散射。有学者建立了一个功率逆变器系统的三维有限元模型,适用于研究辐射场的功能行为,但对系统中电流环的精确有限元边缘建模仍存在不确定性。有学者采用有限元法,综合考虑母线型EMI滤波器“磁-热-流体”多物理耦合场特性,能全面分析电磁辐射分布,但是增加了几何建模和剖分难度。

  有学者提出基于CST软件的平面变压器共模EMI建模方法,该三维电磁仿真模型可在设计初期准确预测平面变压器EMI性能,且适用于整个传导EMI频段和部分辐射EMI频段。有学者从能量脉冲和电磁场瞬变过程的角度,给出了开关瞬态过程中功率器件内部和空间的电磁场分布和变化情况,从根本原理上描述了电磁干扰,为电力电子系统EMI机理研究提供有效的数值分析基础。

  为了获取系统更精确的电磁兼容性模型,需进一步研究建模理论和优化方法。当系统存在复杂的传导或辐射耦合交联关系,设备之间形成复杂的场路耦合关系时,需要从电磁场和电路两个方面对系统进行综合仿真分析,既进行相应的电磁仿真,又在电路仿真分析中充分考虑电磁环境的影响。基于此,提出一种场路协同技术。该技术将外部电磁发射形成的场均等效为电路层面的干扰源,并最终实现在电路层面上对系统电磁兼容性的综合仿真。

  针对功率变换系统的电磁干扰问题,国内外制定了对应的EMC标准。国际上执行IEC 61000—3标准,规定电源及电源系统的传导干扰电压频带为150kHz~30MHz,辐射干扰频带为30MHz~1GHz。我国国标GB/T 21419—2013规定民用传导干扰频段为150kHz~30MHz,国军标GJB151B—2013规定军用电源线MHz。

  其中较低频段的电磁干扰模型容易被建立,而10MHz以上频段的EMI耦合路径复杂。并且在实际中存在各种非理想的因素,给中高频段的EMI建模带来挑战。因此,通过优化电磁数值模拟技术和测试方案,建立包含非线性、时延、宽频带和耦合灵敏特性等因素的完全的精确电磁兼容模型,是需攻克的另一技术瓶颈。

  功率变换系统的电磁兼容问题与干扰源、耦合路径和敏感源有关。基于此,有两种思路抑制系统的EMI:一是降低噪声源频谱和噪声平衡;二是切断干扰源与敏感源的耦合路径。常用降低噪声源频谱的方法有软开关技术、主电路拓扑优化、PWM和门极驱动技术,噪声平衡技术有反相绕组法。

  常用的切断耦合路径的方法有EMI滤波器、印制电路板布局优化和屏蔽技术。其中,软开关和脉宽调制属于控制策略优化技术,这两种成熟的技术已经被应用到产品的开发和设计中,PCB布局优化技术会增加产品研发的成本,目前推广应用较慢,滤波器是目前采用最多的EMI抑制技术,但是它的使用增加了产品的体积和质量。

  电磁干扰滤波器装置在设备端口,将设备整体视为“黑盒子”,不考虑其内部噪声的产生和耦合机理,利用噪声源阻抗与滤波器阻抗失配原理,切断设备间的耦合路径,从而抑制传导噪声。这种方法实用性强,但不能从根源上消除功率变换器内噪声的发射。滤波技术的研究集中于其类型、阻抗、结构、电路拓扑和系统设计等方面。

  EMI滤波器类型可分为模拟EMI滤波器和数字EMI滤波器。模拟EMI滤波器分为无源EMI滤波器(passive EMI filter, PEF)、有源EMI滤波器(active EMI filter, AEF)和混合有源EMI滤波器(hybrid active EMI filter, HAEF)。PEF电路拓扑简单,运行可靠,但其体积和质量较大、滤波特性受系统参数限制、补偿频带窄。AEF滤波特性相比PEF较好,但由于功率损耗和增益带宽的限制,其抑制高频噪声电流的能力不强。

  HAEF由PEF与AEF相结合构成。HAEF中有源器件可放大无源器件阻抗,即存在阻抗倍增效应,但其宽频范围内抑制效果不佳。模拟滤波器没有从根本上解决EMI滤波器的体积和功耗问题。数字有源EMI滤波器(digital active EMI filter, DAEF)因不在主电路中串联器件,从根本上解决了滤波器体积和功耗的问题,且不受功率和电流的限制。

  数字有源EMI滤波器是数字化开关功率变换器传导EMI抑制技术发展的新方向。有学者通过分析系统中的延迟时间及寄生参数,建立计及延迟时间和无源电路寄生参数的DAEF系统精确模型,更加准确地描述了DAEF的滤波特性,有利于DAEF设计。

  EMI滤波器的噪声抑制效果与噪声源阻抗的精度有关。有学者提出基于双阻抗校准和麦夸尔特的噪声源阻抗提取方法,针对如何获取被测噪声源阻抗的幅值、相位及其电阻、电容和电感参数,滤波器的设计更具一般性。有学者研究了一种可分别考虑共模和差模噪声源阻抗影响的阻抗提取方法,该设计方法更具针对性和可靠性,但适用性较差。

  滤波器的结构设计可增强其噪声抑制效果。有学者提出一种新型集成式母线型EMI滤波器,将传输线与滤波器相结合,对噪声电流实现“反射”与“耗散”双重衰减,加强了滤波效果。有学者提出一种基于一定绕线策略的新型集成滤波器,该滤波器可通过设计绕组只增加差模电感,并且保持共模电感值与传统滤波器一致,可使滤波器尺寸减少约20%。有学者提出一种滤波与整流器合并的装置,利用三象限MOSFET线性控制的方案,可减小无源滤波器的尺寸,提高功率转换器的功率密度。

  EMI滤波器的电路拓扑设计可优化滤波效果。有学者针对非隔离光伏逆变器光伏阵列侧的共模干扰问题,给出直流侧EMI滤波器设计方法,并对4种滤波器拓扑进行了研究分析。有学者提出一种带有阻抗失配网络的EMI滤波器网络设计法,该设计利用滤波器端口阻抗失配所产生的反射损耗对EMI滤波器的工作状态进行有效配置,适用于平面环形滤波器。有学者提出滤波器拓扑和滤波元件参数同步设计方法,有助于解决EMI滤波器设计中反复实验迭代和过设计的问题。

  滤波器的系统设计方法可提高其滤波效率。有学者提出一种基于转移函数的共模干扰滤波器设计方法,在电动机驱动系统的逆变器直流侧和交流侧均设计了共模干扰滤波器。该方法可保证在交流侧共模干扰强度不增加的同时,有效抑制直流侧共模干扰。有学者通过分析逆变器的传导干扰与差模干扰的耦合系数关系,计算了使变换器整体功率密度最大化的临界耦合系数,基于此设计了相应的EMI滤波器。

  脉宽调制是决定电力电子噪声的主要因素,可改善系统中逆变器输出电压波形质量,抑制传导电磁干扰。

  有学者提出3种改善电磁干扰噪声的脉宽调制方法,分别是变开关频率PWM、载波移相PWM和零共模PWM。频率调制技术是一种直接控制干扰源、减小系统EMI、改善系统电磁兼容性的有效方法。在频率调制降低开关变换器EMI噪声的技术中,采用的调制信号从最初的正弦信号、随机信号,发展为混沌信号。随机信号和混沌信号均具有宽频特性,且混沌信号实现成本更低。

  有学者将优化后的三状态Markov链引入随机周期调制技术中,降低了功率变换器输出电压纹波,提高了电压输出精度。有学者提出一种应用于开关变换器、从源头上降低噪声的混沌频率调制技术,由于频率调制占空比恒定,该技术对输出电压影响较小。有学者提出一种抑制共模干扰的空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation, SVPWM)控制方法,通过对电压矢量的优选降低共模电压的变化率,可在几乎不增加谐波的情况下降低系统的共模电压和电流。调制波移相PWM算法具有良好的共模电压抑制效果,但其输出电压的谐波含量较高,降低了该算法的实际应用价值[66]。

  有学者提出一种消除共模电压的调制波移相PWM算法,通过与传统SVPWM、改进SVPWM和载波反向层叠调制算法对比分析,验证了该算法抑制T型逆变器共模电压的有效性。从直流电压利用率、输出电压和共模电压抑制效果等方面综合考虑,改进SVPWM算法的综合效果好,具有实际工程应用价值。零共模PWM技术可充分利用并联变换器多矢量组合的自由度,使矢量合成效果为零矢量,完全消除共模电压。

  与滤波器方法相比,脉宽调制方法具有不增加系统成本和设计难度的优势,且对不同功率等级系统的通用性较高。由于控制方式的改变,该方法会对逆变器输出电压造成不利影响。PWM方法或逆变器控制方法对减少差模干扰的作用较大,对共模干扰的抑制效果不是很理想,整体上可起辅助抑制作用。

  软开关技术通过降低系统功率器件产生的du/dt和di/dt改善EMI噪声。软开关技术根据应用的电路拓扑不同,需制定相应的软开关方案。部分功率变换系统软开关特性易受系统参数扰动影响,从而影响抑制EMI效果。

  有学者通过分析系统拓扑参数的扰动,给出关键参数配置方法,提高了系统零电压软开关的稳定性。软开关技术可与电路拓扑优化相结合,改善系统EMC性能。有学者提出一种零电压开通N型交错并联三电平变换器,该方案可减小其输入电流纹波和开通损耗,抑制EMI效果良好。软开关技术是从机理上抑制变换器EMI,但其受系统参数影响,不能从根源上完全改善系统电磁兼容性能。

  高频开关器件在开关瞬态过程中会产生高du/dt和di/dt,进而产生严重的电磁干扰,适当的门极驱动电路可减少EMI。优化的门极驱动电路具有低干扰和损耗、高开关频率的特性,但高频开关器件使这些特性相互冲突,从而增加了门极驱动电路的设计难度。

  基于此,有学者提出一种新的MOSFET三阶驱动电路,该驱动电路通过灵活控制门极电阻大小来独立控制电压及电流的变化率,可在不影响开关速度的情况下减小电磁干扰及开关损耗。有学者提出一种基于驱动脉冲自动校准的全桥电路共模抑制方法,该方法主要依赖软件完成,实现成本低,且可在共模电流特征频段上获取约10dB的衰减,具有较好性价比。

  宽禁带器件和Si器件性能分布如图5所示,碳化硅和氮化镓等宽禁带功率器件可以提高变换器的功率密度和效率,并且具有远高于硅的开关速度,可以在更高频的工况下运行,因而受到广泛关注。然而更高的开关频率不仅带来电磁干扰,还在开关过程中产生了高频振荡和尖峰应力等瞬态问题,使器件驱动设计面临新挑战。

  碳化硅器件需要18~20V的栅极驱动电压来开启具有低导通电阻的器件,并且需要特定的栅极驱动器切换到“关闭”状态。因此,开发了特殊的栅极驱动芯片满足这些要求。有学者提出一种智能栅极驱动方案,可以自动调节器件驱动电压和栅极电阻,从而降低高频振荡和尖峰。当器件运行在高压工况时,有源主动栅极驱动技术可通过改变栅极电阻值动态调节电压和电流的变化率,进而削弱器件的振荡和尖峰,改善变换器的电磁兼容性能。

  氮化镓器件存在更严重的振荡和尖峰问题。有学者研发出一种集成电平位移电路和自举电路的驱动芯片,可以高速可靠地驱动器件。分段栅极驱动技术也可以有效驱动氮化镓器件。有学者提出一种新的级联栅极驱动电源结构来降低移相全桥变换器的共模电流,共模干扰抑制效果良好。

  反相绕组法是通过引入异相位移电流抵消原始的位移电流,进而抑制变换器EMI。该方法是Boost变换器传导噪声抑制的有效技术,但其高频段共模噪声抑制效果受绕组的寄生参数影响。反相绕组法可通过结构优化设计,提高抑制EMI带宽。有学者提出一种绕线式平衡绕组]抵消共模噪声的方法,该设计抑制干扰效果好,但是实现难度和成本高。有学者采用反相变压器代替反相绕组,可极大减小漏感和二次分布电容,抑制干扰效果略差于相关研究,但易于实现,工程实用性高。上述方法均可提高有效带宽和传导噪声的抑制效果。

  有学者提出将屏蔽技术与绕线消除方法相结合的屏蔽消除技术,调整屏蔽层的匝数和绕线方向与相邻绕组相同,使绕组间电容上的电压干扰源被消除,进而抑制隔离功率变流器的共模噪声。

  电路拓扑优化技术可以通过调整系统阻抗来抵消噪声源。有学者提出一种基于电路拓扑的大阻抗比平衡桥的共模降噪方法,该技术可在较宽频带内大幅度抑制共模噪声。有学者采用基于惠斯通电桥和叠加定理的平衡技术,加上滤波电感作为去耦电感,因此共模噪声阻抗增加,降低了电磁干扰噪声。该方法在电路系统中可灵活抑制各节点干扰,充分提高整个系统的电磁兼容性,工程应用性强。

  PCB布局和器件结构优化分别通过改变噪声传输路径和系统阻抗来抑制EMI。有学者通过改进PCB布局来提高集成电路系统的EMC性能。有学者采用分离式散热器与阻尼缓冲器相结合的方法来降低碳化硅JFET型逆变器的共模和差模噪声,在高频范围内的抑制效果更佳。有学者通过分析确定功率器件对地寄生电容是影响共模干扰的主要因素,增大功率器件导热片与散热器之间导热硅脂的厚度,从而增大开关器件对地寄生阻抗,有效降低变换器系统的低频传导噪声,该方法可减小变换器体积且实现成本低,具有工程应用价值。

  每个系统和功率变换器都需要特定的电磁干扰抑制技术和电磁干扰滤波器优化,为了获得更好的性能和更高的效率,滤波器尺寸和增加元件之间的优选配置方案是必要的。在复杂工况下,多种电磁干扰抑制技术的有效性评估,多种相适应的EMI抑制技术联合的可行性设计,以及搭建可预设计并量化评估抑制措施的仿真实验平台,是需要进一步研究的工作。

  以图7所示三相功率变换器系统为例,为了获取该系统更好的电磁兼容性设计,可在变换器的直流侧和交流侧添加相适应的滤波器,通过调整控制电路获取合适的软开关技术和脉宽调制技术,基于驱动电路结构优化门极驱动方案,甚至对系统的主电路拓扑和PCB布局进行优化和改善,综合评估多种抑制技术联合设计的可行性,实现功率变换系统功能指标和电磁兼容性相协调。

  随着电力电子技术的发展,更快速、集成度更高、尺寸更小的功率器件及组件被更多地应用于功率变换电路系统,电路系统的电磁兼容性设计更具挑战性。本文系统介绍了功率变换系统电磁干扰噪声的发射和传播机理,阐述了系统电磁兼容性主要建模方法和电磁干扰抑制措施,总结了现有EMI建模方法及其关键技术的特点和面临的挑战,归纳了现有EMI抑制措施的实施手段和适应性,指出了其技术瓶颈,并对研究前景进行了展望。

  未来可加深对场路联合建模的研究,优化电磁数值模拟技术和实验测试设计,以及专注于对多种电磁干扰抑制方法的联合设计和抑制干扰方案的一般性设计的探究,进而形成预估系统电磁干扰和采取相应EMC对策的理论和规范,使系统的EMC设计更加合理高效。

  本文编自2022年第7期《电气技术》,论文标题为“功率变换电路电磁兼容建模及抑制方法”,作者为赵玉虎、明正峰 等。

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