EMI滤波器高频建模——寄生效应研究

摘要

电力电子装置因为功率半导体开关器件上的高dv/dt和di/dt而易于产生强电磁干扰发射，EMI滤波器是抑制电力电子装置传导干扰发射的一个有效的措施。然而，EMI滤波器的实际高频衰减性能却常比预期值相差很多，这是因为一方面滤波器元件的寄生参数包括滤波电容器的引线电感和滤波电感器的绕组自电容等因素损害了滤波器的高频性能，另一方面滤波器内外存在的杂散电磁耦合也会对滤波器的高频衰减性能产生重要的影响。由于EMI滤波器的寄生特征极大地影响了它抑制传导EMI噪声的性能，有必要建立考虑各种寄生效应的高频模型，以便更准确地评估和预测150kHz～30MHz频率范围内EMI滤波器的性能。 共模扼流圈(共模电感器)广泛应用于EMI滤波器中，它对于传导共模EMI噪声的抑制具有非常重要的作用，然而共模扼流圈的高频特性极大地影响着它所对应的EMI滤波器的高频性能。论文提出了基于阻抗测量提取共模扼流圈高频模型参数的改进方法，分别建立了共模扼流圈的差模集总电路模型和共模集总电路模型。考虑到共模模型参数随频率变化对共模阻抗的影响较大，采用了分频段的共模模型和串联形式的Foster网络共模模型来表示共模扼流圈的共模阻抗特征。还推出了根据漏磁通所对应的有效磁导率和有效磁路长度等参数来确定共模扼流圈漏感的计算方法，以及根据绕组自电容储能与绕组分布电容储能相等的原则，发展了通过近似计算绕组分布电容的集总参数来确定等效绕组自电容的方法。 分别研究了EMI滤波器中的滤波元件即电容器和共模扼流圈的近场耦合特性，电容器的近场耦合主要由电容器引脚构成的部分环路与邻近环路之间的磁场感性耦合引起；共模扼流圈的磁场感性耦合主要体现在差模电感磁通与邻近环路的耦合。阐述了如何建立包含元件寄生参数和耦合参数的滤波器高频模型，并且引入了在有限元分析软件Ansoft中建立虚拟模型以便通过电磁场计算提取滤波器近场耦合参数的方法。依据滤波器的预测模型对几种典型布局的滤波器进行了仿真研究，分析了这些不同布局导致的近场耦合参数的变化对滤波器性能的影响。考虑到如果预测模型包含所有支路和元件之间的耦合会使得模型过于复杂，提出了一种简单的π型共模滤波器的预测模型。在这个模型中，滤波器输入环路与输出环路之间的感性耦合被认为是一个关键耦合，而忽略了其它的耦合效应。 论文最后分析了功率变流器中电磁干扰噪声的产生和传播机理，共模EMI噪声和差模EMI噪声都是由功率开关器件在工作运行过程中高速切换造成的，功率器件两端的电压(例如MOSFET漏极与源极间的电压V<,DS>)是导致EMI干扰的电压源。共模干扰与差模干扰之间根本的差异在于共模干扰电流和差模干扰电流的传播途径不同。功率变流器中所有的电路参数都对共模干扰电压和差模干扰电压有影响，但是在实际处理时考虑到变流器中各种电路参数及寄生参数对噪声干扰电压的贡献程度，可以近似认为对地寄生电容对差模干扰的影响可以忽略，而在Boost PFC变流器中Boost电感对共模干扰的影响可以忽略。基于功率变流器共模噪声的产生和传播原理，提出了一种简单的方法确定功率变流器的共模噪声源阻抗，推导了功率变流器的简化共模等效电路模型。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2电力电子装置的电磁干扰及其抑制技术

1.3 EMI滤波器的研究现状

1.3.1 EMI滤波器的设计

1.3.2 EMI滤波器对功率变流器稳定性的影响

1.3.3 EMI滤波器寄生效应建模

1.3.4 EMI滤波器寄生参数抵消技术

1.3.5 EMI滤波器的平面集成技术[91-95]

1.4课题研究意义

1.5本文主要研究内容

参考文献

第二章共模扼流圈的高频模型及磁芯饱和效应

2.2共模扼流圈的高频模型

2.2.1通过阻抗测量建立共模扼流圈的高频模型

2.2.2通过近似计算确定共模扼流圈的漏感及绕组自电容

2.3共模扼流圈磁芯的饱和效应

2.3.1共模电感与差模电感的集成设计

2.3.2共模扼流圈磁芯饱和效应分析

2.4本章小节

参考文献

第三章EMI滤波器的近场耦合

3.1什么是近场耦合

3.1.1电流元的辐射

3.1.2近场的特征

3.1.3近场的分析方法

3.2磁场感性耦合

3.3电场容性耦合

3.4滤波电容器的近场耦合

3.4.1滤波电容器的感性耦合

3.4.2滤波电容器的容性耦合

3.4.3滤波电容器的虚拟模型

3.5共模扼流圈的近场耦合

3.5.1共模扼流圈与邻近环路的近场感性耦合

3.5.2共模扼流圈与接地层之间的近场耦合

3.5.3共模扼流圈的虚拟模型

3.6本章小结

参考文献

第四章EMI滤波器的预测模型

4.1建立EMI滤波器的高频模型

4.1.1 EMI滤波器的高频模型

4.1.2如何提取耦合参数

4.2布局对EMI滤波器性能影响的仿真和实验研究

4.2.1背景介绍

4.2.2 EMI滤波器的几种典型布局

4.2.3通用电路模型

4.2.4提取近场耦合参数

4.2.5仿真与实验结果比较

4.2.6性能分析

4.3一种简单的π型共模滤波器预测模型

4.3.1感性耦合分析

4.3.2简化的高频模型

4.3.3耦合参数提取

4.3.4模型验证

4.4本章小结

参考文献

第五章功率变流器共模EMI噪声源的简化模型

5.1功率变流器EMI分析

5.1.1 Boost PFC变流器EMI噪声的传播模型

5.1.2 Boost PFC变流器EMI噪声分析

5.2功率变流器共模EMI噪声源的简化模型

5.2.1 Flyback变流器共模等效电路推导

5.2.2其它功率变流器的共模噪声源模型

5.2.3模型的应用

5.3本章小结

参考文献

第六章结论与展望

6.1本文工作总结

6.2今后工作展望

攻读博士期间发表的论文

致谢