解决方案

电力电子中传导电磁干扰建模

        EMI建模是电磁干扰预测、分析、设计的基础,准确有效的模型可以帮助工程师设计出EMI性能良好的产品。目前功率变流器的EMI建模主要集中在传导EMI建模,关于辐射EMI建模的研究工作开展的还不多。 

为了实现电力电子功率变流器电磁干扰优化设计,首先要建立无源元件、电力电子功率半导体器件、PCB板布线的EMI高频模型,特别是必须能提取这些元器件和PCB板的寄生参数,然后才能建立功率变流器的EMI仿真模型,从而可以用电路仿真软件和电磁场仿真软件对功率变流器的EMI特性进行评估,其结果作为功率变流器电磁干扰优化设计的*后依据。因此功率变流器EMI建模内容主要是元器件建模和PCB寄生参数的提取。我们通过以下几点系统讲述在电力电子中传导电磁干扰建模

一、开关器件的建模

电力电子功率变流器EMI主要由开关器件瞬时切换引起,因此开关器件建模必须**模拟其瞬态特性,如功率二极管的反向恢复电流以及MOSFETIGBT开通、关断时的电压、电流变化。建模方法主要是子电路模型和基于半导体物理建立的模型。PIN二极管的子电路模型,但其工作范围有限,而且通用性不好,同时PIN二极管的集中电荷模型进行了改进。而且用于传导EM1分析的电力电子功率MOSFET子电路模型,在Saber仿真器中,以LDMOS的模型为核心,用子电路来模拟各极间电容,从而构建用于瞬态分析的VDMOS模型,能够依据开关管数据手册获得模型参数。同时利用Saber中的MOSFET、二极管通用模型,通过优化算法使开关管静态、动态特性与实际情况接近。而且IGBT模型也是器件建模的重要内容。

二、无源元件建模 

无源元件包括导线、电缆、母线排、电感器、变压器、电容器和电阻器等。一般用于传导EMI分析的电容器高频模型比较简单,其等效电路为RLC串联网络,尺表示等效串联电阻,L表示引线电感,C为实际电容值。更为**的模型要依据电容器物理结构建立,磁性元件的高频建模和高频特性研究主要采用基于场分析的理论计算方法和基于阻抗测量的参数提取法。 

在一些独立供电系统中常采用钢板导体作为系统的地平面,EMI噪声会通过公共地阻抗耦合到不同的设备之间。考虑到交流集肤效应和电流集中效应的作用,采用三维模型分析了交流情况下扁平钢板的电磁场分布,计算了不同频率下钢板的内部阻抗和外部电感,在低频情况下钢板阻抗基本为常数,主要是导体内部 阻抗的电阻部分,随着频率增加其阻抗逐渐 由纯电阻向电感性阻抗转化,在高频情况下,阻抗基本为纯电感性质,主要由导体的外部电感决定,阻抗随频率线性增加。 

三、PCB寄生参数的提取

当电路工作在较高频率下,印制电路板布线间的分布参数如电容、电感就变得相当重要,不但会成为干扰耦合的通道,而且可能会影响电路的正常工作。因此设法提取分布参数建立线路板高频模型已成为EMC设计工作的重要环节。提取印制电路间的分布参数有两种基本方法:解析法和数值法。用解析法可以得到一些典型印制导线的分布参数计算式,针对具体的电路板设计运用这些算式可以估算出线路间的分布参数值。但是,要提取任意形状的印制导线间的分布参数,还必须使用数值算法求解Maxwell方程组,如有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、矩量法(MoM)等等。这些数值法的基本思想都是通过离散化的方法把连续方程转化为代数方程求解。

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