功率变流器传导EMI的近场耦合建模

论文摘要

本文致力于功率变流器主电路传导EMI近场耦合建模技术、近场耦合消除技术以及传导共模EMI抑制技术等方面的研究。目前近场耦合研究主要集中在EMI滤波器方面，针对功率变流器主电路近场干扰研究较少，缺乏近场干扰预测模型的现状，本文在分析功率变流器差模、共模传导EMI传播途径以及无源器件高频建模的基础上，建立了计及磁场和电场近场耦合的传导干扰电路模型，将近场和传导干扰问题有机地结合起来，有助于采用电路模型的传导EMI预测。在近场耦合寄生参数提取方法上，详细阐述了利用电磁场仿真软件获得网络的Z参数或Y参数，并根据二端口网络理论提取电路中各互感、互电容的方法。这种方法完全不需要实验测量就可获得全部参数，可实现EMI预测的目的。实验与仿真验证了所建模型以及参数提取方法的正确性。近场耦合对于传导EMI而言往往是不利的，应该尽量避免近场耦合的影响。本文在功率变换器磁场耦合消除技术方面，指出屏蔽方法虽然有效，但是增加了成本，而且不利于生产；通过元器件布局也可避免磁场耦合的影响，但会占用较大面积，降低PCB利用率。通过等效模型输出电压表达式可知，利用电路中本身导线的互感可抵消磁场耦合。据此提出了利用PCB线圈和立体线圈抵消磁场耦合的方法，并分析了它们的设计过程。进而利用多个立体线圈之间的磁场耦合抵消了电容器的ESL，提高了电容器高频性能。实验验证了这些方法的有效性。在功率变流器共模EMI抑制方面，本文提出了“构造稳态节点共模EMI抑制技术”和一种新型共模EMI滤波器。“构造稳态节点共模EMI抑制技术”的基本思想是通过电路变形构造稳态节点，以消除主要寄生电容(开关管与散热器之间的寄生电容)对共模干扰的影响。该技术可应用于Boost、Buck、Buck—Boost、Flyback等基本拓扑，并用Boost电路进行了实验验证。在充分理解功率变流器共模EMI传播路径基础上，提出了一种新型共模EMI滤波器，由于功率电流不通过滤波电感，大大减小了滤波器体积。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 电磁兼容背景
• 1.2 功率变流器的电磁干扰问题
• 1.3 功率变流器电磁干扰研究现状
• 1.3.1 功率变流器电磁干扰机理研究
• 1.3.2 功率变流器电磁干扰建模
• 1.3.2.1 传导EMI建模
• 1.3.2.2 辐射EMI建模
• 1.3.3 EMI滤波器的研究
• 1.3.3.1 干扰源阻抗的测量
• 1.3.3.2 EMI滤波器设计方法
• 1.3.3.3 EMI滤波器性能的改善
• 1.3.4 传导EMI抑制技术
• 1.3.5 PCB EMI优化设计CAD技术
• 1.3.6 功率变流器EMI测试技术
• 1.3.7 其它理论在EMI中的应用
• 1.4 论文立题的意义及研究内容
• 1.5 论文结构
• 参考文献
• 第二章 传导EMI的近场耦合机理
• 2.1 传导EMI及其测试方法
• 2.1.1 差模传导EMI和共模传导EMI
• 2.1.2 传导EMI的测试
• 2.2 近场干扰的集中参数近似
• 2.2.1 近场和远场
• 2.2.2 电偶极子和磁偶极子辐射
• 2.2.3 近场干扰建模的集中参数近似
• 2.3 近场干扰对传导干扰的影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 功率变流器差模干扰近场耦合研究
• 3.1 功率变流器中主要的近场干扰源
• 3.2 无源元件的高频建模
• boost的高频建模'>3.2.1 PFC电感器L_boost的高频建模
• 3.2.2 PFC电路中电容器Cin的高频建模
• 3.3 PFC主电路中磁场耦合建模
• 3.3.1 问题的提出
• 3.3.2 磁场耦合的电路模型
• 3.3.3 磁场耦合电路模型中互感参数的提取
• 3.3.3.1 二端口网络参数简介
• 3.3.3.2 电感器和电容器之间互感的获取
• 3.3.3.3 电感器和PCB环路之间互感的获取
• 3以及PCB与电容器之间互感的获取'>3.3.3.4 PCB环路之间互感M₃以及PCB与电容器之间互感的获取
• 3.3.4 磁场耦合电路模型的仿真与试验验证
• 3.4 PFC主电路中电场耦合建模
• 3.4.1 电场耦合的电路模型
• 3.4.2 电场耦合电路模型中寄生电容参数的提取
• 3.4.2.1 开关管与散热器寄生电容的提取
• 3.4.2.2 Cp3、Cp4和Cp5的提取
• 3.4.2.3 Cp1、Cp2的提取
• 3.4.2.4 完整的电场耦合模型
• 3.5 完整的近场耦合模型
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 功率变流器共模干扰近场耦合研究
• 4.1 功率变流器共模干扰近场耦合模型
• 4.1.1 非固有差模噪声（Non-intrinsic differential mode noise, NIDM）
• 4.1.2 共模干扰的近场耦合模型
• 4.2 共模干扰电场耦合分析
• 4.2.1 电场耦合插入电压增益的计算
• 4.2.2 寄生参数的获取及模型验证
• 4.2.3 共模干扰电场耦合分析
• 4.3 共模干扰磁场耦合分析
• 4.3.1 100kHz～200MHz频率内的电感器模型
• 4.3.2 100kHz～200MHz频率内的电容器模型
• 4.3.3 共模干扰磁场耦合模型
• 4.3.4 共模干扰磁场耦合分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 功率变流器近场耦合及寄生参数抵消技术
• 5.1 用屏蔽的方法消除磁场耦合
• 5.2 改变元器件布局消除磁场耦合
• 5.3 利用互感抵消磁场耦合
• 5.3.1 原理阐述
• 5.3.2 磁场耦合抵消的实现
• 5.3.2.1 PCB布线构成耦合线圈方法
• 5.3.2.2 安放立体线圈的方法
• 5.4 电容器等效串联电感（ESL）的抵消技术
• 5.4.1 原理阐述
• 5.4.2 电容器ESL抵消的实现
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 新型传导共模EMI抑制技术
• 6.1 引言
• 6.2 构造稳定节点共模EMI抑制技术
• 6.2.1 原理阐述
• 6.2.2 构造稳定节点共模干扰抑制技术的实现
• 6.2.3 仿真与实验验证
• 6.2.4 构造稳态节点共模EMI抑制技术在其它基本拓扑中的应用
• 6.3 一种新型的共模EMI滤波器
• 6.3.1 传统EMI滤波器
• 6.3.2 新型共模EMI滤波器
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 致谢
• 攻读博士期间的主要研究成果