功率变流器传导EMI的近场耦合建模

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：EMl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。

目录

文摘

英文文摘

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

§1.3.3 EMI滤波器的研究

§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

§3.2.1 PFC电感器Lboost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

§3.3.4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

§3.5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

§5.4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