電力電子中傳導(dǎo)電磁干擾建模

為了實(shí)現(xiàn)電力電子功率變流器電磁干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要建立無(wú)源元件、電力電子功率半導(dǎo)體器件、PCB板布線(xiàn)的EMI高頻模型，特別是必須能提取這些元器件和PCB板的寄生參數(shù)，然后才能建立功率變流器的EMI仿真模型，從而可以用電路仿真軟件和電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)功率變流器的EMI特性進(jìn)行評(píng)估，其結(jié)果作為功率變流器電磁干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)的*后依據(jù)。因此功率變流器EMI建模內(nèi)容主要是元器件建模和PCB寄生參數(shù)的提取。我們通過(guò)以下幾點(diǎn)系統(tǒng)講述在電力電子中傳導(dǎo)電磁干擾建模。

一、開(kāi)關(guān)器件的建模

電力電子功率變流器EMI主要由開(kāi)關(guān)器件瞬時(shí)切換引起，因此開(kāi)關(guān)器件建模必須**模擬其瞬態(tài)特性，如功率二極管的反向恢復(fù)電流以及MOSFET或IGBT開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)的電壓、電流變化。建模方法主要是子電路模型和基于半導(dǎo)體物理建立的模型。PIN二極管的子電路模型，但其工作范圍有限，而且通用性不好，同時(shí)PIN二極管的集中電荷模型進(jìn)行了改進(jìn)。而且用于傳導(dǎo)EM1分析的電力電子功率MOSFET子電路模型，在Saber仿真器中，以LDMOS的模型為核心，用子電路來(lái)模擬各極間電容，從而構(gòu)建用于瞬態(tài)分析的VDMOS模型，能夠依據(jù)開(kāi)關(guān)管數(shù)據(jù)手冊(cè)獲得模型參數(shù)。同時(shí)利用Saber中的MOSFET、二極管通用模型，通過(guò)優(yōu)化算法使開(kāi)關(guān)管靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性與實(shí)際情況接近。而且IGBT模型也是器件建模的重要內(nèi)容。

二、無(wú)源元件建模 

無(wú)源元件包括導(dǎo)線(xiàn)、電纜、母線(xiàn)排、電感器、變壓器、電容器和電阻器等。一般用于傳導(dǎo)EMI分析的電容器高頻模型比較簡(jiǎn)單，其等效電路為RLC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，尺表示等效串聯(lián)電阻，L表示引線(xiàn)電感，C為實(shí)際電容值。更為**的模型要依據(jù)電容器物理結(jié)構(gòu)建立，磁性元件的高頻建模和高頻特性研究主要采用基于場(chǎng)分析的理論計(jì)算方法和基于阻抗測(cè)量的參數(shù)提取法。 

在一些獨(dú)立供電系統(tǒng)中常采用鋼板導(dǎo)體作為系統(tǒng)的地平面，EMI噪聲會(huì)通過(guò)公共地阻抗耦合到不同的設(shè)備之間?？紤]到交流集膚效應(yīng)和電流集中效應(yīng)的作用，采用三維模型分析了交流情況下扁平鋼板的電磁場(chǎng)分布，計(jì)算了不同頻率下鋼板的內(nèi)部阻抗和外部電感，在低頻情況下鋼板阻抗基本為常數(shù)，主要是導(dǎo)體內(nèi)部 阻抗的電阻部分，隨著頻率增加其阻抗逐漸 由純電阻向電感性阻抗轉(zhuǎn)化，在高頻情況下，阻抗基本為純電感性質(zhì)，主要由導(dǎo)體的外部電感決定，阻抗隨頻率線(xiàn)性增加。 

三、PCB寄生參數(shù)的提取

當(dāng)電路工作在較高頻率下，印制電路板布線(xiàn)間的分布參數(shù)如電容、電感就變得相當(dāng)重要，不但會(huì)成為干擾耦合的通道，而且可能會(huì)影響電路的正常工作。因此設(shè)法提取分布參數(shù)建立線(xiàn)路板高頻模型已成為EMC設(shè)計(jì)工作的重要環(huán)節(jié)。提取印制電路間的分布參數(shù)有兩種基本方法：解析法和數(shù)值法。用解析法可以得到一些典型印制導(dǎo)線(xiàn)的分布參數(shù)計(jì)算式，針對(duì)具體的電路板設(shè)計(jì)運(yùn)用這些算式可以估算出線(xiàn)路間的分布參數(shù)值。但是，要提取任意形狀的印制導(dǎo)線(xiàn)間的分布參數(shù)，還必須使用數(shù)值算法求解Maxwell方程組，如有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、矩量法(MoM)等等。這些數(shù)值法的基本思想都是通過(guò)離散化的方法把連續(xù)方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程求解。