（交通信息工程及控制专业论文）功率开关变换电路换流过程的TEMI的研究.pdf

功率开关变换电路换流过程t e m i 的研究 摘要 l 。l 电力电子系统素以高效电能转换而著称，在工业和民用等各个领域中同益得 到广泛的应用。正如大多数科技创新一样，对浚技术的负面影响的估计和解决方 案的研究往往滞后于其在市场上的推广与应用。 由于电力电子系统都以丌关方式工作，随着丌关频率的提高和系统大功率化 的实现，开关操作产生前后沿更陡，幅度更高的电压或电流脉冲，从而形成各种 频谱的脉冲干扰，其上限频率远远高于其工作频率或其高次谐波频率，甚至已扩 展到射频范围，而且干扰的强度也超过数字电路的干扰限值。这些干扰通过传导 与辐射途径，严重污染了周同电磁环境及电源系统。 根据i e cd r a f t2 2 g w g 4 1 1 的定义，电力电子系统通常由功率变换单儿和 控制驱动单元两部分构成。丌关变换电路是功率变换单兀的主要组成部分，赴丌 关过程中产生相当快的电压和电流瞬变。在这种开关瞬变过程中所产生的电磁辐 射能量足以降低滤波器的效能，使附近电子装置及相关元件误动作或损坏，甚至 危及到附近低功率控制单元的正常工作，由此可能导致系统功能紊乱；而高频化 又使系统尺寸进一步缩小，拉近了功率变换单元与控制单元的距离，从而加剧了 前者对后者的干扰。因而，研究换流过程的瞬态场特性成为系统电磁兼容性设计 的巷键。) 一一 ，丫本文管先从不同角度凹顾了电力电子系统电磁兼容性的研究现状，沦述和分 析亍前人的工作，总结出电力电子系统电磁兼容性研究的新特点，认为早期的电 【力电子系统电磁兼容性研究多侧重于实验性研究和系统稳态特性的分析，而对高 速大功率系统的瞬态电磁干扰( t r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e t 1 e m i ) 特性的 研究还十分不够。但随着电力电子系统的高频化、大功率化，尤其是系统控制单 元的微处理器化，原来并不十分突出的瞬态电磁干扰问题e 开益成为影响系统自 身发展的熏要因素。r 一一i 为此，j 本文主要研究丌关换流过程- p 的瞬态电磁场特性，同时对j 下关换流过 程和门极躯动技术作了研讨，作为对瞬态干扰研究的壤础。 基于对d c d c 变换电路工作原理，本文提出了模拟注入实验方案建0 了 4 r 一是有_ 方了旺幂晤丽轿汲司瑶硬骚稹型，屏从瞬态电磁干扰角度将丌关换流过程分 i ，为四个阶段，同时分析了电路中续流- 极管反向恢复特性，在充分考虑器件及连 线杂散参数影响基础上建立了斩波电路的瞬态换流仿真模型。 通过对瞬念场时域与频域分析，本文对比了瞬态场与时t 曰场的不同特性。似十 对刁；规则瞬态开关电流，本文提出了赢接矢量势时域解析法，并详细论证了所提 ，。：一，一一一垫：圣型型圭鎏罂，一，一一 。 出的解析法与偶极子法及行波分解法( 如r a m p 函数法) 的一致性。厂 一利髓蕉叁量茎时域箩析法，本文建立了基于斩波电路换流过程的环路瞬态 电磁场的时域解析模型、呜以往模型不同之处在于：本文所提出的模型充分考虑 瞬态电流在环路上传播的时问延迟。通过该模型，本文给出了m o s f e t 关断换 流过程中瞬态磁场的时间与空间分布。计算与实验结果显示，在瞬态换流过程中， 环路周围的磁场呈不均匀分布。f 7 7 ，一弋电力电子系统是强电( 功率变换电路部分) 与弱电( 控制电路部分) 电路的组合 体，研究控制电路是否会受到功率变换电路的干扰是本文的目的之一。 本文从数 字逻辑电路的直流噪声容限、交流噪声容限与能量噪声容限出发，提出了基于换 流过程的瞬态能量法，用以预测处于不同空闻位置上的数字逻辑电路在开关电路 换流过程中可能吸收的最大能量。挡这一能量超过该器件的能量噪声容限时，器 件损坏的可能性较大。由于不同逻辑电路具有不同的时间延迟，而且在换流瞬间 环路周围的电磁场呈不均匀分布，本文首次提出活动时间窗设计方案，即对应不 同数字电路选择设计不同的时间窗，并用该时间窗在时间域和空间域扫描，由此 可以得到在不同空间位置上该时间窗内可能聚集的最大能量，以此指导控制电路 的布局。 一一 ，弋驱动电路是系统呈现不同换流过程的重要因素，基于对瞬态换流过程的分 析，、本文用实验与信号处理的方法首先分析了驱动脉冲占空比对环路瞬态场和系 统共模干扰的影响，探讨了不同门极驱动电阻对漏极电流频谱的影响，而后用电 路仿真的方法探讨了门极驱动电阻与源极电感对可靠换流过程的影响，并最终归 纳出驱动电路电磁兼容性设计方案。 ，7 弋为尽量减少开发后期作进步改进的开销，有必要在设计阶段就将系统的电 。磁兼容性考虑进去，使产品符合相应的国家标准和国际标准。瞬态换流过程是电 力电子系统电磁兼容性设计的关键环节，本文的研究正是以开关换流过程为基 础，为开关变换电路与控制电路设计提供了新的有效策略和实施方法。、 一一 ， 、_ ， 。 关键词：功率变换器，换流过程，瞬态能量法( 溺i 活动时间窗方案q 西聊， 直接矢量势时域解析法d 岬d j ，驱动技术，模拟注入实验方案s h 汹瞬态电磁 干扰( 唑 a b s t r a c t s t u d y o f c o m m u t a t i n g p r o c e s so r i e n t e dt e m if o r p o w e rc o n v e r t e r s a b s t r a c t t h er o l eo fp o w e rc o n v e r t e r si n i n d u s t r ya n dd o m e s t i ca p p l i c a t i o n sh a sg r o w n r a p i d l yd u et o t h ee a s ei nw h i c h p o w e rc a nb em a n i p u l a t e dw i t hh i g he f f i c i e n c y a s w i t hm o s tt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n s ，h o w e v e r , ac o m p l e t eu n d e r s t a n d i n ga n ds o l u t i o n o f i t ss i d ee f f e c t sh a v el a g g e di t si n t r o d u c t i o nt ot h e m a r k e t p l a c e w i t ht h er e a l i z a t i o no fh i g hs w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dh i g hp o w e r , t h ei n h e r e n t s w i t c h i n go p e r a t i o ni nt h ep o w e rc o n v e r t e r sl e a d st op u l s e sw i t hs t e e p e re d g e sa n d l a r g ea m p l i t u d e ，r e s u l t i n gi ns i g n i f i c a n te m ip r o b l e m sw i t hc o m p l e xs p e c t r u m t h e s e i n t e r f e r e n c es i g n a l sc o v e raw i d ef r e q u e n c yb a n d ，e g ，n o to n l y c o n s i s t i n g o ft h e c o m p o n e n t sa tt h ed e v i c es w i t c h i n gf r e q u e n c ya n d t h e i rh a r m o n i c sb u ta l s oe x t e n d i n g i n t ot h er a d i of r e q u e n c yb a n d f u r t h e r m o r e ，t h es t r e n g t ho ft h e s ee m i s s i o n sf a re x c e e d s t h es t a n d a r dl i m i t sf o rd i g i t a ld e v i c e s ，g i v i n gs e r i o u se me m i s s i o nt ot h ee n v i r o n m e n t a n d p o w e r l i n e s a c c o r d i n g t ot h ed e f i n i t i o n s g i v e n i nt h ei e cd r a f t2 2 g w g 4 11 ，ap o w e r e l e c t r o n i cs y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h es o - c a l l e dc o n v e r t e rs e c t i o na n dt h ec o n t r o l s e c t i o n ，t h ef o r m e ri sm a i n l yc o m p o s e do ft h ep o w e rc o n v e r t e r s ，w h i c hg i v er i s et o v e r yf a s tv o l t a g ea n dc u r r e n tt r a n s i e n t sd u r i n gt u m - o na n dt u r n o f fo p e r a t i o n s t h e s e t r a n s i e n tr a d i a t i o ng e n e r a t e df r o mt h et r a n s i e n tp r o c e s sm a yh a v es u f f i c i e n te n e r g yt o c a u s ed e g r a d a t i o no f t h ef i l t e r s ，e v e nl e a d i n gt om a l f u n c t i o no rd a m a g et oa ne l e c t r o n i c e q u i p m e n to ri t sa s s o c i a t e dc o m p o n e n t si nc l o s ep r o x i m i t y , e s p e c i a l l yt h es u r r o u n d i n g l o wl e v e le l e c t r o n i c s ( e g d r i v ec i r c u i ti nt h ec o n t r o ls e c t i o n ) t h i sp o s s i b l yr e s u l t si n s y s t e mf u n c t i o n i n gd i s o r d e r l y w i t h t h ei n c r e a s eo ft h es w i t c h i n gf r e q u e n c y , t h es i z eo f t h es y s t e mi sr e d u c e d ，a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nc o n t r o ls e c t i o na n dc o n v e r t e rs e c t i o ni s s h o r t e n e d ；t h u st h ei n t e r f e r e n c ef r o mc o n v e r t e r s e c t i o nt oc o n t r o l s e c t i o nm a yb e i n t e n s i f i e d t h e r e f o r e ，k n o w l e d g eo f t r a n s i e n tn e a rf i e l dp e r f o r m a n c ef r o mc o n v e r t e r s e c t i o n si se x t r e m e l y i m p o r t a n t f o rac o r r e c te m c d e s i g no f t h ed e v i c e t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s tr e v i e w st h es t a t e o f - t h e a r tr e s e a r c hw e r ko ft h ee m ci n p o w e re l e c t r o n i cs y s t e mf r o md i f f e r e n tp o i n t so fv i e w , g i v i n gas u m m a r yf o rt h en e w f e a t u r e si nt h er e s e a r c hb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r e v i o u sw o r k t h u sf a r , c o n c e r n s h a v ef o c u s e dm o s t l yi ns t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c ea n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ；h o w e v e r , t h el i t e r a t u r er e g a r d i n gt r a n s i e n te m ie f f e c t si nh i g h p o w e ra n dh i g h - s p e e ds w i t c h i n g i l 北方交通大学博上学位论文 c o n v e r t e r si ss t i l ll a c k i n g n e v e r t h e l e s s ，w i t ht h ee l e v a t i o no ft h es w i t c h i n gf r e q u e n c y a n dt h e e n l a r g e m e n t o ft h ep o w e r c a p a c i t y , e s p t h ei n t r o d u c t i o no fm i c r o p r o c e s s o ri n t o t h ec o n t r o ls e c t i o n ，t h e o r i g i n a l l yn o ts op r o m i n e n tt r a n s i e n te m i ，i si n c r e a s i n g l y b e c o m i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha f f e c t st h ed e v e l o p m e n to ft h e p o w e r e l e c t r o n i cs y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h ed e v e l o p m e n to ft h et r a n s i e n te m f i e l dm o d e l a l s ot h ec o m m u t a t i n g p r o c e s sa n dd r i v et e c h n i q u e sa r es t u d i e d a st h eb a s i s o f t h er e s e a r c ho nt h et r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( t e m l ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd c - d cc o n v e r t e r s ，t h es i m u l a t e di n j e c t i o nt e c h n i q u e ( s i t ) i sp r o p o s e d t oe s t a b l i s hac h o p p e rc i r c u i te x p e r i m e n tm o d e lw i 出a s q u a r el o o p f o rf i l r t h e ri n v e s t i g a t i o n t h ec o m m u t a t i n gp r o c e s so ft h ec i r c u i tm o d e li sd i v i d e di n t o f o u rp h a s e si nv i e wo ft e m i ，a n dt h er e v e r s er e c o v e r yb e h a v i o ro ft h ef r e ew h e e l i n g d i o d ei sa n a l y z e d u n d e ra l lt h e s ep r e p a r a t i o nw o r k ，t h et r a n s i e n tc o m m u t a t i n gm o d e l o ft h ec h o p p e rc i r c u i t si n c l u d i n gt h e p a r a s i t i cp a r a m e t e r s o ft h ec o n n e c t i o ni sp r e s e n t e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et r a n s i e n tf i e l di nb o t ht i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n ， c o m p a r i s o nb e t w e e nt r a n s i e n te m f i e l da n dt i m e h a r m o n i ce mf i e l di sm a d e t o i n v e s t i g a t et h et r a n s i e n tf e a t u r e so f t h ei r r e g u l a rs w i t c h i n gc u r r e n t ，t h ed i r e c tv e c t o r p o r e n t i a lt i m ed o m a i na n a l y t i c a lm e t h o d ( d v p t d ) i sp r o p o s e d ，a n dt h ec o n s i s t e n c y b e t w e e nd v p t d a n dd i p o l em e t h o da n d t r a v e l i n gw a v ed e c o m p o s i t i o nm e t h o d ( r a m p f u n c t i o n ) i sd e m o n s t r a t e di nd e t a i la c c o r d i n g l y w i t hd v p t d t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sat r a n s i e n te m f i e l da n a l y t i c a lm o d e l i n t h et i m ed o m a i no nt h eb a s i so ft h ec o m m u t a t i n gp r o c e s so ft h ec h o p p e rc i r c u i t t h e m a i nd i f f e r e n c ef r o mp r e v i o u sm o d e ll i e si nt h a tt h i sm o d e lt a k e st h ep r o p a g a t i o nd e l a y o ft h et r a n s i e n tc u r r e n ta r o u n dt h el o o pi n t oc o n s i d e r a t i o n w i t ht h i sm o d e l ，t h et i m e a n ds p a c ed i s t r i b u t i o n so ft h et r a n s i e n tm a g n e t i cf i e l dd u r i n gt h et u r n - o f fp e r i o da r e g i v e n t h e c a l c u l a t e da n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wu n s y m m e t r i c a ls p a c e d i s t r i b u t i o n f o rt h ep o w e re l e c t r o n i cs y s t e m sb e i n gc o m b i n a t i o n so ft h ec o n v e r t e rs e c t i o n ， w h i c hi sg e n e r a l l yw i t hh i g hp o w e r ，a n dc o n t r o ls e c t i o nw i t hc o m p a r a t i v e l yl o wp o w e r , o n et a s ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e c i d ew h e t h e ro rn o tt h ec o n v e r t e rs e c t i o nw i l lg i v e s o m ed i s t u r b a n c et ot h ec o n t r o ls e c t i o n s t a r t i n gf r o md cn o i s em a r g i n ，a cn o i s e m a r g i na n d t h ee n e r g yn o i s em a r g i no f t h ed i g i t a lc i r c u i t s ，t h et r a n s i e n te n e r g ys c h e m e ( t e s ) w i t ht h ec o m m u t a t i n gp r o c e s sa si t sb a s i si sp r e s e n t e d i ti su s e d t op r e d i c tt h e m a x i m u m e n e r g yt h a tt h ed i g i t a ll o g i cc i r c u i t sc a l l a b s o r ba td i f f e r e n tp o s i t i o nd u r i n g t h et r a n s i e n tc o m m u t a t i n gp r o c e s so f t h ec o n v e r t e r o n c et h ec a l c u l a t e de n e r g ye x c e e d s t h en o i s ee n e r g ym a r g i no ft h ec o m p o n e n t t h ep o s s i b i l i t yf o rt l l ec o m p o n e n tt o b e b u r n e di se x t r e m e l yh i 曲t h ep r o p a g a t i o nd e l a yf o rd i f f e r e n tl o g i cc i r c u i t sv a r i e s a g r e a td e a l ，a n dt h e t r a n s i e n te mf i e l dh a su n s y m m e t r i c a ls p a c ed i s t r i b u t i o na r o u n dt h e l o o p o nt h eb a s i so f t h a t ，t h ea c t i v et i m ew i n d o ws c h e m e ( a t w ) i sp r o p o s e df o rt h e i v f i r s tt i m e u n d e rt h i ss c h e m e ，d i f f e r e n tt i m ew i n d o w sc a nb es p e c i a l l yd e s i g n e df o r d i f f e r e n td i g i t a ll o g i cc i r c u i t s ，a n da r eu s e dt os c a nb o t hi nt i m ea n d s p a c ed o m a i n ；t h e m a x i m u m e n e r g yc o l l e c t e dw i t h i nt h et i m ew i n d o w sc a nb eo b t a i n e d ，a n dc a nb eu s e d t oi n s t r u c tt h el a y o u to f t h ec o n t r o lc i r c u i t s d r i v ec i r c u i ti st h em a i nf a c t o rt h a ta f f e c t st h ec o m m u t a t i n gp r o c e s s o nt h eb a s i s o ft h et r a n s i e n tc o m m u t a t i n gp r o c e s s ，t h ee f f e c t so fd i f f e r e n td u t yc y c l e so ft h ed r i v e p u l s e s o nt h et r a n s i e n tf i e l do ft h e l o o pa n dt h ec o m m o nm o d ei l a t e r f e r e n c e a r e p r e s e n t e d a n dt h ee f f e c t so f t h eg a t ed r i v er e s i s t a n c eo nt h ed r a i nc u r r e n ts p e c t r u ma r e a l s og i v e n w i t l lt h ec i r c u i ts i m u l a t i o nm e t h o d t h ec o m b i n e de f f e c t so ft h eg a t ed r i v e c i r c u i ta n dt h es o u r c ei n d u c t a n c eo n 血es a f ec o m m u t a t i n ga l es t u d i e d a n dt h ee m c c o m p l i a n c ed e s i g ns c h e m e s i nv i e wo f d r i v ec i r c u i ta r ec o n c l u d e d t om i n i m i z ep o s t d e v e l o p m e n tm o d i f i c a t i o nc o s t s i ti s i m p o r t a n tt ot a k ee m c a s p e c t sa l r e a d yi nt h ed e s i g np h a s ei n t oa c c o u n t ，t h u sm a k i n g t h ep r o d u c tc o m p l yw i t h c o r r e s p o n d i n g n a t i o n a lo ri n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dr e g u l a t i o n s t h et r a n s i e n tc o m m u t a t i n g p r o c e s si st h ek e ys t e pf o r t h ee m c c o m p l i a n c ed e s i g no f t h ep o w e re l e c t r o n i cs y s t e m o nt h eb a s i so ft h i s ，t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sn e we f f e c t i v es t r a t e g i e s a n di m p l e m e n t i n gm e t h o d sf o rt h ed e s i g no fc o n t r o la n dc o n v e r t e rc i r c u i t k e y w o r d s ：p o w e rc o n v e n e gc o m m u t a t i n gp r o c e s s ，t r a n s i e n te n e r g ys c h e m e ( t e s ) ， d i r e c tv e c t o rp o t e n t i a lt i m ed o m a i na n a l y t i c a lm e t h o d ( d v p t d ) ，a c t i v e t i m e w i n d o w ( a t w ) ，d r i v i n gt e c h n i q u e ， s i m u l a t e d i n j e c t i o n t e c h n i q u e ( s i t ) t r a n s i e n t ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( t e m i ) v 第一章绪论弟一早殖磁 美国威斯康星- 梅逊大学( u n i v e r s i t yo f w i s c o n s i n m a d i s o n ) e r k u a n z h o n g 和 t h o m a sa l i p o 教授曾指出，任何一项新技术对社会的影响都有正反两个方面， 而对其负面影响的估计往往滞后于该项技术在市场上的推广与应用“i 。8 0 年代后 期，随着功率场控器件的实用化和大容量化，电力电子系统跨入高频化、大容量 时代1 2 1 。这给信息产业与传动产业带来前所未有的发展与机遇，但与此同时也引 发了严重的电磁干扰问题 1 1 引言 自1 9 5 6 年m o l l 发明p n p n 四层半导体，1 9 5 7 年g e 公司第一只晶闸管问世 起，电力电子技术开始得到了广泛的应用与迅猛的发展。例如，白1 9 7 1 年第一 台微处理器的问世以来，电力电子技术日益成为信息产业与传动产业之间的桥 梁，在国民经济中占有举足轻重的地位。而自1 9 7 4 年以来，由于国际能源危机， 资源匮乏，电力电子技术更是被誉为节能之冠，节材能手。1 9 9 2 年，美国通过 大量采用电力电子系统节约了大约1 5 2 0 的电能”1 。据统计，1 9 9 5 年，发达国 家电能中有7 5 经过电力电子技术变换或控制后爿被使用，预计到2 0 0 0 年后， 这一比率将达到9 5 以上。 由于电力电子系统具有高效率电能转换的特点，目前已迅速应用到从航天到 民用的各个领域中。例如，随着电子信息产业的发展，人们对开关电源及变频系 统的需求与曰俱增，以开关交换器为核心的电力电子系统正广泛应用于以电子计 算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备。美国佛吉尼亚电 力电子研究中心( v i r g i n i ap o w e re l e c t r o n i cc e n t e r ，v p e c ) 1 9 9 7 年的年度报告 中指出：如果说是微处理器技术的进步促使计算机主频从1 9 8 5 年的1 6 m h z 发展 到今天的2 0 0 m h z ，那么。下步向吉赫的飞跃则主要取决于电力电子技术的发 展 近几年来，人们已经丌始认识到电力电子系统的高频化在取得巨大成功的同 时也带来许多负面影响，电磁干扰”问题就是其中一个极为重要的问题【l 9 9 , t 0 0 1 o 1 9 9 7 年v p e c 与i n t e l 、i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r ( i r ) 、t e x a si n s t r u m e n t s 、n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r 及s g st h o m s o n 组成v r m ( v o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e ) 产学联 合团体”1 ，并将研究重点放在高性能开关电源技术上，其目的是进步减小微处 t g b t4 3 6 5 1 9 9 5 电磁骚扰是任何口j 能1 起装置、设蔷或系统性能降低或者或者对有生命或无生命物质产生 损害作用的电磁现象。注：电磁骚扰a f 能足电嫩噪声、无用信i ，或l 播媒舟自身变化。电磁干扰是指电磁 骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的卜降。本文对二二者末加班区分。 理器的工作电压，提高芯片工作速度。目前微处理器功率为2 0 至3 0 w ，预计未 来的微处理器将需要6 0 至1 0 0 w 的功率：而当芯片以吉赫频率工作时，电源必 须以足够高的匹配速度给逻辑门供电( 以i n t e lp e n t i u mp r o 微处理器为例，它要 求负载电流供给速率为3 0 a o s l 4 1 ；而当工作频率提高到吉赫( g h z ) 时，负载电流 供给速率也要相应提高，这样，在系统中的杂散电感上，可能产生相当高的瞬态 电压) ，这正是i n t e l 不得不放慢其新一代微处理器时钟频率的一个十分重要的原 因【3 】。因此，电力电子系统中的电磁兼容性问题正直接或间接地影响着许多相关 产业的发展。 电力开关变换器是电力电子系统的重要组成部分。研究表明，开关变换器换 流过程中产生相当高的电流和电压变化率( 即d d t 和d v f d r ) ，这是引发严重电磁 干扰的源头”- 9 l ，目前d v d t 和d i d t 都已达到相当高的水平：4 0 0 a 的电流可在 1 “s 关断( 0 4 a n s ) ，而且预计已具备1 a n s 的能力，而2 v n s 、3 v n s 的电压变 化率已经很寻常n 0 i 。电力电子系统产生的电磁干扰不仅威胁到其本身乃至与其相 关其它电子设备的正常工作口”“，甚至通过各种途径耦合到电网f l o q ，并对周边环 境造成严重电磁污染，正越来越引起广泛的关注。 特别是，由于近年来电力电子技术的发展，电力电子开关器件的容量也越来 越大，如光控s c r ( s i l i c o nc o n t r o l l a b l er e c t i f i e r ) 已有4 0 0 0 a 8 0 0 0 v 的产品， i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 已有3 5 0 0 v 2 4 0 0 a 的模块出售；而且随着 开关频率逐步提高( 目前可达几兆赫兹) ，装置的尺寸却越来越小。以d c d c 电 源为例，当前国内水平为3 0 w i n 3 ，而国际水平为1 2 0 w i n 3 ，预计2 0 0 0 年可达 到2 4 0 w i n 3 。这些因素都要求更进一步加强电力电子系统电磁干扰特性及其防范 的研究。特别是，在设计阶段对新系统的干扰特性进行预估，缩短其开发周期， 提高电力电子系统的电磁兼容性已成为至关重要的问题。 虽然电力电子系统中的电磁兼容性研究是保护电力系统和保护电磁环境的重 要手段，但至今系统性的研究仍处起步阶段。g a r l i c k 博士1 9 9 4 年指出：关于高 频大功率系统中电磁干扰源的特性目前还知之甚少，在设计阶段，很少对这类干 扰源与电路拓扑间的关系进行深入的研究，现存电力电子系统所采取的一些电磁 兼容措施只是整个工作的一小部分”1 。这种观点并非过于悲观。例如，v p e c 发 表的6 0 0 余篇论文及技术报告中，除研究谐波与功率因数之外，直接涉及脉冲干 扰电磁兼容性的还不足2 3 。反映电力电子系统电磁兼容性研究不够深入的另 一个实例是：往往有一些颇为流行的看法实际上并不十分f 确。例如，人们大都 认为零电压转换( 软丌关) 的优点之一是可以有效降低电磁干扰。但是，d a n y _ c h c n 博士在1 9 9 6 年的一篇报告中指出，对于一个输入为9 0 - 2 7 0 v a c 、输出为 3 8 0 v d c 4 0 0 w 、开关频率为1 0 0 k h z 的软开关变换器来说，其传导干扰与一同构 硬开关+ 相差无几。他同时指出，系统电磁兼容性能很大程度上取决于电路的布 局。 h 构驶开关是相对卜史中软开关l i f i 言的，特指该馊开关_ 软开关具有娄似的拓扑结构及电路参数，以增自i i 可比性。 ，2 一 第一章绪论 为了净化电磁环境，为了改善各种产品的电磁兼容性指标，各国对商品的电 磁兼容性都制定了相应的标准与法规。从1 9 9 6 年1 月1 日起，凡不满足欧洲电 磁兼容标准的所有电工、电子产品都不允许在欧共体范围的市场上出现。我国的 国家出入境检验检疫局和对外贸易经济合作部也规定自1 9 9 9 年1 月1 日起对个 人计算机、显示器、打印机、开关电源、电视机、音响设备等6 种进口商品实施 e m c 强制检测；并规定自2 0 0 0 年1 月1 日起必须获得相应的许可证方可进口与 销售2 l 。为此，中、美政府于1 9 9 9 年3 月l o 日至1 2 日在北京举行了研讨与谈 判，美方出席4 0 余人，中方出席逾百人。 按照国际贸易对等的原则，在对进口商品管制的同时，我国也必须对在市场 上出售的国产同类商品执行相同的规定。这无疑大大加宽了电工、电子产品电磁 兼容性的管理范围。实际上，国家质量技术监督局已成立了“中国电磁兼容谁委 员会( c e m c ) ”，其管理委员会茸次会议已于1 9 9 9 年8 月5 日召开。 由此可见，无论从国际科研动态还是从国际商品贸易来看，加强电力电子系 统( 包括开关电源) 的电磁兼容性研究都是十分紧追的，它正迅速成为人们关注 的焦点。 1 2 电力电子系统电磁兼容性的相关研究工作 电力电子学是一门介于电力、电子和控制三门学科之间的边缘学科。其相关 技术在当前工业与国防事业中大显身手，例如，信息设备发出控制指令，电力电 子设备按指令控制完成相应的动作，传感器将动作完成情况反馈到控制中枢，从 而构成功能强大的信息电力电子系统。由于电力电子系统是集强电与弱电为一体 的的综合体系，其电磁兼容性问题具有多样性，已经成为当前学术界的一个研究 热点。 以下本文概述与其相关的研究工作。 1 2 1 电力电子系统电磁干扰源的刘析 在探寻电力电子系统电磁干扰源的过程中，人们通过大量的实验，不断总结 新的经验。 例如，美国的s c h n e i d e r 教授早在1 9 8 2 年就开发了用于动态测试开关电源 源阻抗特性的技术，这是一种用标量法测量噪声频谱以确定源阻抗实部和虚部的 技术。该技术选择电抗性负载与噪声源阻抗的虚部构成振荡电路，通过电路的振 荡频率来确定噪声源的电抗；而噪声源阻抗的实部则由振荡噪声电流的峰值来确 定。如图1 1 所示，噪声源表示为n o r t o n 等效电路。噪声源电流值是i ；。) ，即 短路电流。l 。，c 。，和k 是噪声源的组成部分。同时选用了感性负载l 。当开 关闭合时，可测得短路电流l “当丌关打j r ，可测量流经l ，的电流i 如满足 振荡条件，i 。比i 。大。且满足： 振荡时