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功率变流器传导EMI的近场耦合建模

作　者: 陈玮
导　师: 钱照明
学　校: 浙江大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 功率变流器传导干扰近场干扰模型近场耦合消除共模干扰抑制
分类号: TM46
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-33
  1.1 电磁兼容背景  11-12
  1.2 功率变流器的电磁干扰问题  12-15
  1.3 功率变流器电磁干扰研究现状  15-23
    1.3.1 功率变流器电磁干扰机理研究  15-16
    1.3.2 功率变流器电磁干扰建模  16-18
      1.3.2.1 传导EMI建模  16-18
      1.3.2.2 辐射EMI建模  18
    1.3.3 EMI滤波器的研究  18-20
      1.3.3.1 干扰源阻抗的测量  19
      1.3.3.2 EMI滤波器设计方法  19-20
      1.3.3.3 EMI滤波器性能的改善  20
    1.3.4 传导EMI抑制技术  20-21
    1.3.5 PCB EMI优化设计CAD技术  21-22
    1.3.6 功率变流器EMI测试技术  22
    1.3.7 其它理论在EMI中的应用  22-23
  1.4 论文立题的意义及研究内容  23-24
  1.5 论文结构  24-25
  参考文献  25-33
第二章传导EMI的近场耦合机理  33-44
  2.1 传导EMI及其测试方法  33-36
    2.1.1 差模传导EMI和共模传导EMI  33-34
    2.1.2 传导EMI的测试  34-36
  2.2 近场干扰的集中参数近似  36-40
    2.2.1 近场和远场  36
    2.2.2 电偶极子和磁偶极子辐射  36-39
    2.2.3 近场干扰建模的集中参数近似  39-40
  2.3 近场干扰对传导干扰的影响  40-43
  2.4 本章小结  43
  参考文献  43-44
第三章功率变流器差模干扰近场耦合研究  44-80
  3.1 功率变流器中主要的近场干扰源  44-46
  3.2 无源元件的高频建模  46-50
    3.2.1 PFC电感器L_(boost)的高频建模  46-49
    3.2.2 PFC电路中电容器Cin的高频建模  49-50
  3.3 PFC主电路中磁场耦合建模  50-70
    3.3.1 问题的提出  51-53
    3.3.2 磁场耦合的电路模型  53-58
    3.3.3 磁场耦合电路模型中互感参数的提取  58-68
      3.3.3.1 二端口网络参数简介  59-62
      3.3.3.2 电感器和电容器之间互感的获取  62-66
      3.3.3.3 电感器和PCB环路之间互感的获取  66-67
      3.3.3.4 PCB环路之间互感M_3以及PCB与电容器之间互感的获取  67-68
    3.3.4 磁场耦合电路模型的仿真与试验验证  68-70
  3.4 PFC主电路中电场耦合建模  70-76
    3.4.1 电场耦合的电路模型  70-71
    3.4.2 电场耦合电路模型中寄生电容参数的提取  71-76
      3.4.2.1 开关管与散热器寄生电容的提取  71
      3.4.2.2 Cp3、Cp4和Cp5的提取  71-74
      3.4.2.3 Cp1、Cp2的提取  74-76
      3.4.2.4 完整的电场耦合模型  76
  3.5 完整的近场耦合模型  76-78
  3.6 本章小结  78
  参考文献  78-80
第四章功率变流器共模干扰近场耦合研究  80-103
  4.1 功率变流器共模干扰近场耦合模型  80-86
    4.1.1 非固有差模噪声(Non-intrinsic differential mode noise, NIDM)  81-84
    4.1.2 共模干扰的近场耦合模型  84-86
  4.2 共模干扰电场耦合分析  86-95
    4.2.1 电场耦合插入电压增益的计算  86-87
    4.2.2 寄生参数的获取及模型验证  87-88
    4.2.3 共模干扰电场耦合分析  88-95
  4.3 共模干扰磁场耦合分析  95-101
    4.3.1 100kHz～200MHz频率内的电感器模型  95-97
    4.3.2 100kHz～200MHz频率内的电容器模型  97
    4.3.3 共模干扰磁场耦合模型  97-99
    4.3.4 共模干扰磁场耦合分析  99-101
  4.4 本章小结  101-102
  参考文献  102-103
第五章功率变流器近场耦合及寄生参数抵消技术  103-119
  5.1 用屏蔽的方法消除磁场耦合  103-104
  5.2 改变元器件布局消除磁场耦合  104-105
  5.3 利用互感抵消磁场耦合  105-112
    5.3.1 原理阐述  105-107
    5.3.2 磁场耦合抵消的实现  107-112
      5.3.2.1 PCB布线构成耦合线圈方法  107-110
      5.3.2.2 安放立体线圈的方法  110-112
  5.4 电容器等效串联电感(ESL)的抵消技术  112-117
    5.4.1 原理阐述  112-113
    5.4.2 电容器ESL抵消的实现  113-117
  5.5 本章小结  117-118
  参考文献  118-119
第六章新型传导共模EMI抑制技术  119-134
  6.1 引言  119-120
  6.2 构造稳定节点共模EMI抑制技术  120-127
    6.2.1 原理阐述  120-121
    6.2.2 构造稳定节点共模干扰抑制技术的实现  121-124
    6.2.3 仿真与实验验证  124-125
    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  125-127
  6.3 一种新型的共模EMI滤波器  127-132
    6.3.1 传统EMI滤波器  128
    6.3.2 新型共模EMI滤波器  128-132
  6.4 本章小结  132
  参考文献  132-134
第七章结论与展望  134-136
  7.1 本文工作总结  134
  7.2 今后工作展望  134-136
致谢  136-137
攻读博士期间的主要研究成果  137

功率变流器传导EMI的近场耦合建模

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