（电力电子与电力传动专业论文）电力电子装置电磁辐射问题的场分析.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , p o w e re l e c t r o n i c d e v i c ei so p e r a t i n ga te v e r - h i g h e rf r e q u e n c ya n dc a p a c i t yw h i l ec o n f i n e dw i t h i na l l e v e r - s m a l l e rv o l u m e ，t h u sr a d i a t i o ne l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei sa l s ob e c o m i n g i n c r e a s i n g l ys e r i o u sa n dc o m p l e x i ti si m p o r t a n tt o u s en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r a s s e s s m e n to fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) a tt h ee a r l yd e s i g ns t a g e t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sp r e s e n td o m e s t i ca n df o r e i g ne m cr e s e a r c hs i t u a t i o no f p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e i nv i e wo ft h ec o m p l e x i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y i np o w e re l e c t r o n i cd e v i c e ，s t r a t e g yo fu s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r et oa n a l y s e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yf o rp o w e re l e c t r o n i cd e v i c ei sd i s c u s s e d ，m a i n l y f o c u s e do ne l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o nf o rp o w e rs u p p l yo i lp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) ，c o n t r o lc a b i n e ta n dp o w e rc o n v e r t e rh o u s i n g f i r s t l y , e m cp r e d i c t i o no fs w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l yo np c b i sd i s c u s s e d p r o t e l9 9 s ea n dc s tm i c r o w a v es t u d i o ( c s tm w s ) a r ea d o p t e dt oe x e c u t e t h i st a s k ，a n dn e a rf i e l dp l o tf r o mp c bc a nb eg o t t e n a c c o r d i n gt on e a rf i e l dp l o t ，t h e c i r c u i td e s i g nc a nb ei m p r o v e d t h ei d e ao fo p t i m i z i n gd e s i g nf o rp c b se m ci s g o t t e n i nt h ep e r i o do fp c bd e s i g n i n g ，e m ca n a l y z i n gf o rp c b i sj o i n e di n i tw i l l g u i d ep l a c i n ga n dr o u t i n gf o rp c b t h er a d i a t e dc h a r a c t e r i s t i cf r o mp c bc o u l db e e q u i v a l e n tt ot h a tf r o md i p o l eb a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l t s s e c o n d l y ,c a l c u l a t i n gs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fc o n t r o lb o xa n da n a l y z i n g r a d i a t e dc h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o lb o xw h e ni n s e r t i n gp c bb y a p p l y i n gc s t m i c r o s t r i p e s t m ( c s tm s t m ) f i n a l l y , f u l l w a v et r a n s i e n ts i m u l a t i o n s o fr a d i a t i o ne m i s s i o no fap o w e r c o n v e r t e rb ya p p l y i n gc s tm w s 吲a r ep r e s e n t e d i g b ts w i t c h i n gs p i k e s ，h a r n e s sa n d c a b l i n g ，a n da l la s s o c i a t e dp a s s i v ec o m p o n e n t sa r et a k e ni n t oa c c o u n tt o g e t h e rw i t h t h em e t a l l i ch o u s i n gi nt h es i m u l a t i o n l i n e a rn e t w o r kt h e o r yi se m p l o y e dd u et ot h e f a c tt h a th i g h e rh a r m o n i cn o i s ei ss m a l lr e s p e c tt ot h eo p e r a t i n gp o i n t t r a n s i e n ta n d s p e c t r a ld i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l dw i t h i nac u b i cv o l u m ec o n t a i n i n gt h eh o u s i n gi s a b s t r a c t o b t a i n e d s h i e l d i n gn e ti sd e s i g n e dw i t hu n i t c e l la n dp e r t u r b a t i o nm e t h o d s t h e o v e r a l le m i s s i o ni ss u c c e s s f u l l yr e d u c e dw i t ht h es h i e l d i n gn e t k e yw o r d s ：p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e , p c b ，e m cp r e d i c t i o n ，f u l lw a v es i m u l a t i o n ， c o n t r o lc a b i n e t ，p o w e rc o n v e r t e rh o u s i n g ，s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：- t 妍 砷年专月7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： - 3 - 妍 叫年弓月7 日 第1 章绪论 1 。1 引言 第1 章绪论 随着电力电子技术的迅速发展，电力电子装置正在向着高频化、大容量、 小体积的方向发展。高频纯和大容量化导致了器件所承受的电应力和开关损耗 的增加，虽然可以通过软开关技术来减少开关的能量损耗，但在电力电子器件 换流瞬间会产生前后沿很陡的( d i d t 可达1 a n s ，d v d t 可达3 v n s ) 脉冲，不可避 免地会产生电磁干扰【l 】。电力电子装置的电磁干扰( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ， 简称e m i ) 问题是电力电子装置设计、制造和使用者都十分关心的问题。从电 磁兼容( e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , 篱称e m c ) 焦度考虑电力电子装鼹的干 扰传播通道是联接受扰体与干扰源的纽带。建立电力电子装置干扰传播通道的 模型，研究传播通道豹特性与各元器件的参数的关系，对于装置设计过程中的 干扰预测和电磁兼容调试都是十分重要的。 电力电子装置通常出两部分组成，即功率变换单元和控制单元。开关变换 电路的开关频率一般为几十到上百赫兹，现在甚至更高，在开关过程中产生的 电压和电流瞬变是产生传导干扰和辐射干扰的干扰源。尤其是功率变换单元所 产生的电磁干扰有近场干扰和远场干扰的闻题，近场予扰主要通过传导于扰使 得同一设备内部的其它各部件工作受到影响，由于控制单元的信号一般比较弱， 鬻此使得其附近控制单元无法正常豹工作。远场主要是通过电磁辐射使周围其 它设备受到影响，辐射有能量的衰减，而且电磁辐射可以通过屏蔽、滤波、接 地等措施来降低电磁干扰。近场可以通过合理奄线避开强干扰区，以减小电磁 干扰问题。因此研究电力电子装置的远近场特性，保证其正常工作，对于电力 电子装置的设计具有重要意义。 目前在我国的绝大多数工程设计中，尤其是在设计初期，很少考虑设备内 部电路对内以及对外的电磁干扰问题，致使许多电力电子装置性能都不能得到 理想效果。往往是阏题毒现了才去寻找原因与解决方案，这既耗时又耗力，丽 且加大了产品的成本。因此，提高电力电子装置的电磁兼容性已成为十分重要 的问题。为了提高产品质量与可靠性，缩短产品的开发周期，这就要求进一步 第1 章绪论 加强对电力电子装置电磁干扰特性的研究，特别是在设计初期就考虑设备电路 之间的电磁干扰是十分有意义的。 欧盟从1 9 9 6 年开始规定，所有投放欧盟市场的电子和电气产品必须符合欧 盟指令的要求，否则不能进入欧盟市场流通【3 4 弱。欧盟指令的规定，主要是针对 电子和电气产品对周围其它设备的电磁干扰，是否在一定的允许范围内。为了 提高电子设备在复杂电磁环境中的适应能力，减少各种设备相互之间的电磁骚 扰，使各种设备能正常运转，使我国的电子和电器类产品能在国际市场上顺利 流通，对电力电子装置的电磁兼容拣及电磁干扰靛研究已经成为十分热点的课 题。因而分析电力电子装置可能产生怎样的电磁干扰，对于电力电子装置的产 晶设计及使用有着重要意义。但在我国，有关这方面的研究还不多 6 1 。丽葱临当 今世界目益激烈的市场经济，减小成本，减少产品从设计到投放市场的时间，将所 有可预见的不必要的干扰减小到最低，对每个企业来讲都是至关重要的。因此 对电力电子装置的电磁兼容性及电磁干扰的研究已经成为刻不容缓的课题。 然而，仅限于事后的电磁干扰和电磁敏感度测试，一旦未能满足电磁兼容 标准规定，不仅会因为后期产晶的改动面大大增加电磁兼容设计方面的成本， 而且有可能会超出预定的产品开发周期，造成市场方面更大的损失。另一方面， 标准的制订通常有时闻上的滞后性，这使得在研发新产品时有可爱缺少必要的 测试指导。 良好的电磁兼容性来自好的设计，只有将电磁兼容设计贯穿于电力电子装 置设计的每个阶段，才能采取有效的抑制和防护措施。经验表明，在产品设计 初期可供采用的技术手段最多，而所需的成本最少，如图1 1 中所示【7 】。 供选择技术 花赞成本 生7 醴 开发阶段 图1 1 电磁兼容设计成本和可供选择的技术手段在开发过程各个阶段的关系 2 第1 章绪论 最可靠的电磁兼容设计方法显然是测试整改，通过测试来发现产品的干扰 问题。然而，在整个过程中都采用测试修改的方案并不是高效最优的办法，甚 至不是一种可行的办法。一方面，测试费用昂贵，过多的测试无疑会使产品的 电磁兼容成本增加；另一方面测试工作必需等到生产出样本，而实际情况是， 人们往往在设计初期，在没有形成样品前就想对所设计产品的电磁兼容性有所 了解。因此在研发设计阶段，采用电磁兼容仿真成了非常有用的工具。 近年来，随着计算机仿真技术，特别是计算电磁学的快速发展，使得电磁 场数值仿真在电磁兼容领域有了更为广阔的应用。电磁兼容仿真技术的应用使 得大多数电磁兼容问题在设计阶段就可以予以解决。在电力电子装置设计的初 期阶段就进行电磁兼容仿真和预测，以便在产品定型之前就发现干扰问题，采 取必要的整改措旌，能缩短开发周期，节约成本，起到事半功倍的效果。因此， 对电力电子装置内常见电磁干扰问题进行数值仿真研究是非常有实用意义的。 1 2 国内外电力电子装置电磁兼容研究现状 早在3 0 年代，有关的国际组织为了保护音频广播即决定成立国际无线电干 扰特别委员会( c i s p r ) ，并于1 9 3 4 年召开首届全体会议。1 9 4 5 年，美国陆军 和海军颁布了用于控制机载电子设备的电磁干扰的规范：j a n i 2 2 5 ，j a n i 2 2 5 是世界上最早的军用电磁干扰规范之一。5 0 年代，由于大功率无线电装置及导 弹等含电爆装置的武器装备越束越多地投入使用，电磁辐射对武器、燃油、人 员的危害r 益显露出来，电磁兼容问题进一步得到重视。进入6 0 年代以后，美 国等科技先进国家全面深入开展了电磁兼容及其测试仪表、测试技术等的研究 工作，并制定了一系列军用及民用标准、规范。7 0 年代后，先进国家对标准、 规范进行了不断的修改、补充和完善。以美国军用标准m i l s t d - 4 6 1 设备的 电磁干扰特性和要求为例，继1 9 6 8 年颁布4 6 1 a 之后，又研制了4 6 1 b 、4 6 1 c 和4 6 1 d 。8 0 年代以来，电磁兼容已成为十分活跃的学科领域，美国、德国、同 本、法国等许多国家在电磁兼容标准与规范、分析预测、设计、测量及管理等 方面的研究均达到了很高的水平，并取得了一系列成果。 因此，随着科技发展和人们对生活质量追求的同益提高，电磁污染与电磁 兼容问题越来越成为国内外研究热点问题。国外己研制成了可进行各种系统间 试验的高精度电磁干扰及电磁敏感度( e l e c t r om a g n e t i cs e n s i t i v i t y , 简称e m s ) 自 第1 章绪论 动测量系统【8 】；研制了系统内及系统闻的各种e m c 计算分析程穿，并形成了一 套较完整的设计体系。在电磁干扰抑制方面，也采取了许多新材料、新工艺、 耨规范及菠技术。 但是目前有关电磁兼容问题的研究大多数是侧重于讨论与无线电通信有关 的一些电磁兼容问题，关于电力电子装置的电磁兼容性研究的文章很少。尤其 是在国内，由于过去的工业基础比较薄弱，电磁环境危害尚未充分暴露，对电 磁兼容认识不足，因此对电磁兼容理论和技术的研究起步较晚，与国际间的差 距较大。8 0 年代以来，我匿逐步开始组织系统的研究并制订囡家级和行韭级电 磁兼容性标准和规范，到目前已制定了3 0 多个国家标准和国家军用标准。9 0 年 代以来，随着国民经济和高科技产业的迅速发展，电磁兼容性要求也越来越高， 我国更加重视电磁兼容性技术，投入大量人力物力建立了一批电磁兼容性试验 测试中心，在部分高科技产品设计制造过程中应用了此技术，如卫星设计，船 舶制造等。北方交通大学电磁干扰中心、北京邮电大学环境电磁学科研所、武 汉水利电力大学、清华大学等单位的研究具有一定的水平。国家电力公司拟在 武汉高藤研究所和南京电力自动纯研究院建立两个专f j 的实验室，在华北电力 大学进行部分基础理论研究【9 】。但是，目前我囡取得电磁兼容研究多停留在某一 实际干扰闷题的防护研究水平上，还没有成熟的电磁兼容分析预测体系，与国 外差距较大。 而目前针对电力电子系统电磁兼容闼题的研究工作，主要是将许多解决电 磁干扰闻题的实践经验加以分类和综合。涉及设备电路的电磁兼容问题也主要 是针对单个元件电磁现象的研究，如电容、电感等( 电容主要是作为旁路电容 或藕合电容来降低电磁干扰的，电感主要是以电源线的方式来降低电磁干扰) 1 0 j i 】。涉及整个电力电子装置( 设备) 中e m i 与e m c 问题的详细分析几乎没有。 电力电子装置( 设备) 中酶e m i 问题具有它本身的特殊性：虽然频率与无线电 通信频率相比算不上很高，但通常它涉及到的装置功率较大，主电路中功率元 件在开关过程中产生的高d i d t 和d u d t 会引起强大的传导型以及辐射型e m i ，它 们会严重污染周围的电磁环境。 在降低开关的电磁干扰方面，这几年国内外一些企业采用谐振技术、频率 抖动技术、扩频技术等从机理上主动降低电磁干扰取得了很大进展，如美国的 电源集成公司，困内的华为、中兴、东方电子等，但这些方法仍有它们各自的 局限或不足。如在混沌歼关调制技术降低歼关模式e m i 电源水平研究一文 4 第1 章绪论 中旧，主要是透过给开关器件加混沌信号，使其工作在基于混淹的随机模式， 利用混沌调制技术在扩展频谱方面的良好效果来达到降低开关模式电源的电磁 予扰( e m l ) 水平。在峰值电流控制法降低d c d cb o o s t 型变换器e m i 水平 研究一文中f l 弱，通过变换器参数的组合控制，尤其是引入峰值电流控制方法 使其工作于混沌状态降低电磁干扰水平。这些虽然都能在一定程度上改善电路 中的电磁干扰现象，但是，由于其控制以及工作情况更为复杂，难免会影响其 实用性。 综上所述，蠢翦对e m i 与e m c 麓研究，主要涉及无线电通讯相关方面。 有关电力电子电路方面，只是针对某些单个元件的电磁现象或电磁作用进行分 析【1 4 垮l ，或者等效为集中参数模型，焉且较多是定性讨论。定量地、详细地讨论 一个电力电子电路，并考虑在装置中的实际稚线，会产生怎样一个电磁干扰分 布，对周围其它单元的电磁干扰有多大等等，有关这方面研究的文章几乎没有 1 1 6 a 7 。但是，要进行一个良好的e m c 设计，首先要搞清楚会产生一个怎样的e m i 。 本课题的主旨在于：以典型电力电子电路为主要研究对象，并考虑在装置中的 实际靠线，透过定量分析其在工馋时产生的电磁场空闻分表情况，进而研究相 应的实施办法与实施效果。 1 3 本文研究内容及主要结构 电磁兼容是一个相当复杂又系统化的问题，涉及很多方面的内容。本文主 要借助电磁兼容仿真工具，讨论了电力电子装置电磁兼容中辐射e m i 仿真的策 略，主要针对数值仿真技术在电力电子装置- - p c b 电源板、d s p 信号控制箱以 及变流器机柜的电磁兼容分析中的应用展开了研究。本文的主要结构如下： f 1 )第一章对电力电子装置电磁兼容预测分轿的重要性以及国内豁姿前熬 研究情况进行了调研讨论； f 2 )第二章中讨论了电力电子装置辐射干扰的基本理论，分析了电力电子装 置辐射干扰的三要素，并讨论了电力电子装臀辐射干扰特性； ( 3 )第三章简单介绍了当前电磁兼容数值算法，讨论了电力电子装置的辐射 仿真难点和仿真工具的选择原燹| j ，并提出了电力电子装置辐射仿真策略。 ( 4 )第四章结合具体电力电子装臀模型详细分析了整个仿真过程，分别考虑 p c b 级、控制箱级以及枫梃级的辐射电磁干扰情况。定量分析了其在工作时产 5 第1 章绪论 生的电磁场空间分布情况，并对仿真结果进行讨论分析。 ( 5 )第五章针对前面的仿真结果与电磁兼容标准进行比较，提出了抑制电磁 辐射的措施并借助仿真工具设计了一个屏蔽网，结果表明屏蔽网能够有效地抑 制电磁辐射。 ( 6 )第六章为全文总结 6 第2 章电力电子装置辐射干扰基本理论 第2 章电力电子装置辐射干扰基本理论 国家标准g b t 4 7 6 5 1 9 9 5 电磁兼容术语对“电磁兼容”的定义是“设备或 系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的 电磁骚扰的能力”。 电磁骚扰【1 8 】( e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e ，简称e m d ) ，是“任何可能引起 装置、设备或者系统性能降级或对有生命或无生命物质产生作用的电磁现象。 电磁骚扰可能是电磁噪音、无用信号或者传播媒介自身的变化”。 电磁干扰，是“电磁骚扰引起的设备、传输通道或者系统性能的下降”。电 磁骚扰仅仅是电磁现象，即客观存在的一种物理现象，它可能引起设备性能的 降低或者损坏，但不一定已经形成后果。而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。 过去在术语上并未将物理现象与其造成的后果明确划分，统称干扰 ( i n t e r f e r e n c e ) 。1 9 9 0 年引入了d i s t u r b a n c e 这一术语，给出了明确的区分。但为 了方便，通常人们在分析电磁干扰问题时常常与电磁骚扰联系在一起讨论，或 者统称为电磁干扰。所有的电磁干扰都是有3 个基本要素组合而产生的，称之 为电磁兼容三要素： ( 1 ) 干扰源：产生干扰的电路或设备； ( 2 ) 敏感设备：受干扰的电路或设备； ( 3 ) 耦合途径：能够将干扰产生的干扰能量传递到敏感源的路径。 我们知道，任何干扰的产生必然通过某种途径由干扰源耦合到敏感设备， 按传播途径的不同可分为传导干扰和辐射干扰。 ( 1 ) 传导干扰：耦合途径是直接相通的电路，干扰信号正是通过此通路由干扰源 耦合到敏感设备。传导干扰的传输性质有电耦合、磁耦合及电磁耦合。要有共 地阻抗耦合及共源内阻耦合两种，一般采用路的方法予以分析。 ( 2 ) 辐射干扰：是指通过空间电磁场的耦合。根据频率高低及干扰源、敏感设备 之问的距离不同又可分为近场辐射和远场辐射干扰。这决定了预测中算法的不 同，而远场干扰又可进一步细分为共模干扰和差模干扰。 2 1 辐射干扰的基本理论 7 第2 章电力电子装置辐射干扰基本理论 2 1 1 辐射基本原理 电磁辐射是指当电流或电荷随时间变化时，电磁能量以电场和磁场的方式 向外传播。电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分，其中一 部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动，不向外发 射，称为感应场；另一部分电磁场能量脱离辐射体，以电磁波的形式向外发射， 称为辐射场。 一般情况下，电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为远区场和近 区场。由于远场和近场的划分相对复杂，要具体根据不同的工作环境和测量目 的进行划分，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为 近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围 称为远区场，也可称为辐射场。 在辐射干扰的研究中，天线是产生电磁波的一个辐射源，而电偶极子和磁 偶极子是两种最基本的辐射单元，实际电力电子电路中的多种元件均可等效或 近似等效为这两种辐射单元。 电偶极子也叫电流元【l9 1 ，是一种基本的辐射单元。下面分析电偶极子的电磁 辐射情况。设其长度，与横向尺寸均远小于波长。线上载有高频电流i = ，。s i n o t ， 由于，远小于波长，可认为极子上各点的电流等幅同相。电偶极子是线天线的基 本组成部分，线天线是由许许多多的基本阵子组成的。在计算p c b 上单根电路 轨迹时，如果轨迹尺度l 比波长及场距小很多，那么就可以用电偶极子模型来 分析p c b 单根电路轨迹电磁辐射问题。如图2 1 为球坐标下的电流元辐射场示 意图。 z x 图2 1 求解电流元的辐射场 y 第2 章电力电子装置辐射干扰基本理论 盘麦霓斯韦方程司解得电偶擞予髑圈电磁场为： 耳叫等 专+ 弦 ( 2 1 ) 岛= 一，冬堂【丢+ 喜一- 舻- 一聍弦 ( 2 2 ) 一，丽磊【7 + ，7 一，聍。 o z z = 警 吉+ 审p 一 亿3 ， 乞= 缉= 玛徽0 ( 2 4 ) ( 2 1 ) ( 2 。4 ) 式中，z 为电偶极子长度，i 为电流有效值，f 为观测点与原点距 离，忌：车( m d m ) ，五为波长 根据观察点与原点的距离把场域分为三部分：帮近区场、中区场积远区场。 近区场： 对于尹参，此时场内的性质主要是感应场，其场量方程简化为： e 叫筹e 啪 ( 2 5 ) 易= 叫等e 爷 ( 2 6 ) 墨= 警g 啪 ( 2 7 ) 易= q2 = 0 ( 2 8 ) 从上面的推导可以看出，近区场通常具有如下特点：近区场内，电场强度 与磁场强度的大小没有确定的比例关系。即：e 不等于3 7 7 h 。一般情况下，对 于电压高电流小的场源如发射天线、馈线等) ，电场要比磁场强得多，对于电压 低电流大的场源( 如某些感应加热设备的模具) ，磁场要比电场大得多。 近区场的电磁场强度眈远区场大褥多。双这个焦度上说，电磁防护的重点 应该在近区场。 近区场的电磁场强度随距离的变化比较快，在此空间内的不均匀度较大。 中区场： 对于，乏，此时场内的性质是感应场及辐射场的叠加。 9 第2 章电力电子装置辐射干扰基本理论 远区场： 对于， 三，此时场强随传播距离的增大呈反比变化，称此为辐射场，其 场量方程可简化为： 易= 。等啦 泣9 ) 心= 歹弋i l k s 7 i n 0 口一弦 ( 2 1 0 ) 耳一吃= q = h e = 0 ( 2 1 1 ) 当电流元置于自由空闻时，自由空闻的特牲阻抗为： = 每= 磊k = 摆划2 溉( 哟 ( 2 1 2 ) 辐射场改写为： 岛：，_ 6 0 7 r 1 1s i n 如一弦 ( 2 1 3 ) _ = 歹去s i 航膨 ( 2 1 4 ) e = 乜= 耳= h e = 0 ( 2 1 5 ) 远区场的主要特点如下：在远区场中，所有的电磁能量基本上均以电磁波 形式辐射传播，这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。 在远区场，电场强度与磁场强度有如下关系：在函际单德制中，e = 3 7 7 h ， 电场与磁场的运行方向互相垂直，并都垂直于电磁波的传播方向。 远区场为弱场，其电磁场强度均较小。 通常，对于一个固定的可以产生一定强度的电磁辐射源来说，近区场辐射 的电磁场强度较大，所以，应该格外注意对电磁辐射近区场的防护。对电磁辐 射近区场的防护，首先是对作业人员及处在近区场环境内的入员的防护，其次 是对位于近区场内的各种电子、电气设备的防护。而对于远区场，由于电磁场 强较小，通常对入的危害较小。 对我们最经常接触的从短波段3 0 m h z 到微波段的3 0 0 0 m h z 的频段范围， 其波长范围扶l o 米到1 米。 l o 第2 章电力电子装置辐射干扰基本理论 2 1 2 辐射干扰抑制原理 在电力电子装置被用于各种复杂的电磁环境中，电磁干扰途径多种多样， 设备的电磁敏感度也各不相同。为达到电磁兼容的设计要求，就要分析各种电 磁干扰源的特性和技术参数，确定干扰路径和耦合方式，根据具体参数采取抑 制干扰、消除干扰的措施。 要提高电力电子设备的电磁兼容性能，可以从三个方面考虑，一是减小设 备发射电磁干扰的强度；二是抑制电磁干扰的传输；三是降低设备电磁敏感部 件接收干扰的强度。滤波、屏蔽、搭接是抑制电磁干扰的三个主要措施。 抑制以场的形式造成干扰的有效方法是电磁屏蔽n 引。电磁屏蔽是电磁兼容 技术的主要措施之一。即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电 磁场强度低于允许值的一种措施或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来， 使其内部电磁场强度低子允许值的一种措施。 1 静电屏蔽 用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与 带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽 体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体 的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。 2 交变电场屏蔽 为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之 间设置导电性好的余属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电路的 耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。 只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压 变得很小。电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不必过大，而以结构强度 为主要考虑因素。 3 交变磁场屏蔽 交变磁场屏蔽有高频和低频之分。低频磁场屏蔽是利用高磁导率的材料构 成低磁阻通路，使大部分磁场被集中在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高，厚度 越大，磁阻越小。磁场屏蔽的效果越好。当然要与设备的重量相协调。高频磁 场的屏蔽是利用高电导率的材料产生的涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现 的。 第2 章电力电子装置辐射干扰基本理论 4 ，交变曦磁场屡藏 一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在 高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消两肖| l 弱高频磁场的于 扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度 和结构强度为主要考虑因素。 2 。2 电力电子装置电磁兼容三要素分析 与分析其他电子设备的电磁干扰问题一样，研究电力电子装置电磁辐射问 题，就要围绕电磁兼容三个要素展开，逶过研究每个要素的特点，发现电磁干 扰产生机制，提出防治的手段和措施。 2 2 1 电磁干扰源分析 8 0 年代后期，功率场控器件的实用化和高频化琢o l ，使电力电子装置跨入高 频化、大容量化的时代。采用高速半导体开关器件，如i g b t 、m o s f e t 等， 可以大大加快电力电子装嚣的动态响应过程，然而，这些半导体开关产生的高 频脉冲信号具有很大的d v d t 、d i d t ，形成很强的电磁干扰( e m i ) ，其频率可 从几k h z 直到数十m h z ，有可能远远超出e m c 标准要求的极限值。电力电子 装置产生的电磁干扰不但影响负载昀正常工作，缩短其使焉寿命，而盈对电力 电子装置本身也带来很大的危害。这些干扰通过传导和辐射的耦合方式，严重 污染周圈电磁环境和电源系统。 电力电子装置产生的电磁干扰源有以下几个主要方面： ( 1 ) d v d t 。在电力电子器件通断瞬间，电压的跳变会在电容上产生很大的 充电或放电电流，实际的驱动电路和主电路都会存在杂散分布电容，i n f 的电 容就可以产生几个安培的电流瞬态脉冲，会对电力系统产生严霪的电磁干扰。 2 ) d i d t 。开关器件在通断瞬间的电流变化会在杂散电感上感应出电压，另 外，有较大的叫d t 的电流环路也是一个辐射源，将对空| 日j 产生辐射电磁场。在 大功率驱动系统中，d i d t 可达2 k a u s ，3 0 n h 的杂敖电感就可以激励6 0 v 的电 压干扰。 ( 3 _ p w m 信号自身。控制开关需要的p w m 波形除了有焉的基波外，还含 1 2 第2 章电力电子装置辐射干扰基本理论 有大量的高次谐波，嚣前逆变器的开关频率从凡k h z 到几百k h z ，谐波频率从 几k h z 到几十m h z 。由于高次谐波的存在，p w m 信号也会对周围的设备产生 辐射的影响。 ( 4 )控制电路。控制电路输出的高频脉冲时钟波形也会产生一定的电磁干 扰。由于控制电路的电压比较低，产生的电磁干扰也较小。 此外，菲线性的元器锌和电路也是干扰源之一，因为它们是谐波静来源。 它们会使电路中的信号发生畸变。 2 2 2 电磁敏感设备分析 电磁敏感设备是电力电子装置所在系统所有受干扰对象豹总称，所有由于 电磁干扰信号的存在而偏离其正常工作点的电子电气元件都可以成为敏感设 备。 2 2 3 电磁干扰传播路径分析 电磁干扰的传输途径主要有两条，通过导线的传导和通过空间的辐射，即 传导发射和辐射发射。 传导干扰主要通过导线进入电源或者电予系统，或者通过容性耦合或感性 耦合进入控制线和信号线，它可能在额定电压为1 2 v 或者2 4 v 的电气设备上引 起高达2 0 0 v 的电压。 辐射干扰的实质是骚扰源的电磁能量以场的形式向四周空间传播。辐射耦 合途径是干扰源的能量以电磁场的形式传播的，根据干扰源与敏感设备静距离 可分为近场耦合模式和远场耦合模式，辐射耦合不仅存在于两天线之间，设备 的机壳、机壳的孔洞、传输线及元件之闽都可能存在辐射耦合。 由于本文研究的是电力电子装置的辐射干扰，所以下面详细地分析一下电 力电子装嚣辐射干扰特性。 2 。3 电力电子装置辐射干扰特性 电力电子装置通常由两部分构成，即功率变换单元和控制单元。功率变换 单元在开、断变换过程中爨产生的瞬态电压和电流是传导干扰及辐射干扰的主 1 3 第2 章电力电予装置辐射干扰基本理论 要干挠源。其工作孛产生的电磁辐射链量是以莛及附近单元的正常工侔。对功 率电路的电磁兼容有如下明显的特征：频段较低( 一般集中在1 0 0k h z 至几个兆 赫) ，向外辐射强电场和强磁场，地线电流严重，隐蔽性强。 电力电子装鬣的干扰源主要由功率开关器件和相关的变换电路构成。对于 常用的p w m 型电力电子装置，其工作波形可能是周期性脉冲系列，如方波、 准方波、除梯波、s p w m 波或其憩可变宽度的p w m 波等，开关频率一般在凡 干赫兹到几百千赫兹。由于分布参数的存在，开关波形的前后沿都存在过冲， 这些过净的震开，是一个高频衰减振荡。因此，电力瞧予装鹭是一个稷强的宽 带电磁发射源，功率越大电磁辐射越强。电力电子装鬣系统内部的辐射干扰要 魄系统外部酶辐射于拢要复杂得多，系统内部的辐射干扰主要盘功率霞路中的 差模电流和共模电流构成，其中以共模电流辐射为主，但由于系统内部结构复 杂，寄生参数分析计算复杂，相应的共模电流分析非常困难。丽外部辐射干扰 剡由与系统褶连的输入、输出电缆串的差模电流和共模电流及装置对地泄漏电 流构成。 事实上，决定毫力毫孑装置邀磁辐蔫季特性豹还不止于瑟，魏广泛耀于电力 电子装置的散热器常常表现出电磁振荡特性，加强了电力电子装置的r f 电磁辐 射。教热片透常具有复杂的几何形状，其有多频带的r f 特性，并安装在装置磐 部，因谳，散热片很可能猩一个或多个开关频率的谐波上起有效的辐射天线的 作用。 2 。4 毫力电子装置辐射干扰研究现状 与传导干扰相比，电力电子装置的辐射干扰则爨为复杂。这是因为，作为 簏量变换装萋，变换容量从毫瓦级到莼瓦缀，嚣量主霹路与控制圄路常常是虫 不同部件构成的，与集中在印刷电路板上的电子装置相比，空问结构熨为复杂。 嚣此，捆寝蛉杂数参数与辐射干扰酶分耩计算更为复杂，霹翦研究较少。 为了研究开关电源( s m p s ) 的辐射干扰特性，a n t o n i n i 等建立了基于印制电 路板的简单s m p s 实验模型。在进行近场计算时，将印制电路板上的平行导线划 分为多个偶板子串连组成。在确定线路电流分布时，采用了等效均匀介质的传 输线模型。结果模型在低予1 0 0m h z 的频率范围内与实验结论有较好的吻合， 健在高予1 0 0m h z 翡频段，受各种杂质麓影响，共模辐射占主导笼位。在确定 1 4 第2 章电力电子装置辐射干扰基本理论 共模电流分布时，传输线模型不再有效。影响电力电子装置近场特性的主要是 功率变换部分的主回路。c r i s t i n a 等人就变换器部分工作在不同负载情况下的辐 射模式变换、近场空间分布和辐射特性进行了研究，并提出不同负载条件下， 开关电源可能表现出的电偶极子或磁偶极子特性。 m a d h u w a n t i 等人以b o o s t 型变换器为例，提供了一种分析电磁辐射的简单方 法。将m o s f e t 开关，二极管与电容阁电偶极予等效，线圈焉磁偶极子等效，并 假定电路中各部分电流相同，计算了基于开关操作过程中的时域电流波形的近 场分鑫。o r l a n d i 对s c r 整流毫路的辐射干扰源进行了研究。他们重点分橱了共模 电流与辐射场问的联系，认为共模电流与来自控制部分的驱动脉冲及杂散参数 相关，杂散电容问的电压梯度促使共模电流的传播，脉冲上升浴的电压梯度在 杂散电容中产生共模电流。而且，快速电流脉冲在s c r 的金属部分( 外壳和散热 器) 上感应如无用电压，成为辐射源。 s a t o s h i 等分柝了p w m 逆变器驱动的交流电机的共模电流。在p w m 功率转换 电路中，当开关管开关切换时，就会伴随出现电压和电流性浪涌，这时产生的 d i d t 、d u d t 都很大，并包含了非常高的频率成分。大脉冲电流流过功率变换回路 和由寄生电容所形成的共模回路产生非常强的辐射干扰。p w m 逆变器驱动系统 的共模电流圆路由三部分组成：逆变模块中功率变换器与散热器之阀的寄生参 数构成的共模回路，输入、输出电缆对地杂散电容构成的共模回路，交流电机 机壳对地杂散电容构成的共模回路。 在对电力电子装置的辐射干扰研究中，以s k i b i n s k i 所研究的p w m 交流驱动 系统最为复杂。他针对实际交流驱动系统，研究了包括输入变压器，交流驱动 系统及交流电机在内的整个系统的电磁干扰闻题( 包括传导干扰和辐射干扰) 。 分析了交流驱动系统额定工作模式下的输出电压，共模电流通路及共模电压源 的频域特性。并对于扰源的各_ 季孛耦合祝理做了详缨的分析：共模电流的耦合机 理，噪声源接地，噪声屏蔽体接地，共模传导电流与辐射，驱动系统中噪声耦 合路径。最后提出了四种抑制电磁干扰的有效措施：低频及高频设备的按地， 噪声源的抑制，敏感设备的屏蔽，噪声源回路的滤波及接地。 综上所述，对电力电子装置辐射于扰特性的研究刚刚起步，尚没有完整而 准确的模型建立，多数研究采用实验与分轿楣结合的方法，并对一定条件下的 电磁干扰特性建模。对实际大功率，具有复杂结构的电力电子装置的电磁辐射 干扰特性的研究_ 尚不多见。 1 5 第3 章电力电子装置电磁辐射仿真技术讨论 第3 章电力电子装置电磁辐射仿真技术讨论 3 。i 电磁兼容问题数值仿真概述 3 。1 1 电磁兼容预测 经验表明，在产品研制之初就应该考虑电磁兼容问题，否则待产品生产出 来磊进行测试才发现闷题，再设法鼹决将花费很高的代价，甚至不能彻底解决 问题。因此在研发设计阶段，就应该对产品的电磁兼容进行分析与预测。 电磁兼容预测1 2 l 】是指：在设计阶段通过计算的方法对电气、电子元件、设 备乃至整个系统的电磁兼容特性进行分析。这项技术通常应用在设备或系统研 制的方案设计和工程研制阶段，其发展伴随着计算机技术、电磁场计算方法、 电路分析方法的发展焉发艘，目前已受到电磁兼容科研、工程技术人员越来越 多的重视。 电磁兼容预测具有涉及领域广、研究对象千差力剐、预测方法多种多样等 特点。研究领域包括所有存在电气、电子设备的场合，这样对电磁兼容预测的 分类就变得很复杂，不过可从不同的角度得到相应的分类办法： 按预测对象，可分为印制板级预测、部件级预测、分机级预测及系统级预 测；从预测所用方法上可分为经验法、解析法、数值法；或分为场的方法、路 的方法、场路结合的方法等。 电力电子装鼹的电磁兼容性预测是通过分析计算找出其上产生干扰或易受 干扰影螭的因素以及干扰的影响程度，以便于确定其设计的电磁兼容性控制技术， 最终降低整个系统的电磁干扰。 3 1 2 电磁兼容数值仿冀算法 电磁兼容的研究领域需要进行大量的电磁场环境的分析计算，例如天线闻 耦合干扰的计算、电缆辐射特性、屏蔽机柜电磁性分析等等，解析计算方法早 已不再适应越来越宽的频率范围。随着多种电磁场数值算法的涌现与快速发展， 1 6 第3 章电力电子装置电磁辐射仿真技术讨论 计算电磁学在电磁兼容领域的有了广泛的应用。使用电磁兼容数值仿真，能提 高计算的准确性、降低成本，为在研发初期掌握产品可能出现的电磁兼容问题 提供了有效的手段和途径。 电磁兼容数值仿真过程也就是电磁场问题的数值计算过程。电磁数值计算 的任务是基于麦克斯韦方程组，建立逼近实际问题的连续型数学模型，然后采 用相应的数值计算方法，经离散化处理，将连续型数学模型转化为等价的离散 型数学模型，由离散数值构成的离散方程组( 代数方程组) ，应用有效的代数方 程组解法，求解出该数学模型的数值解( 离散解) 。再经各种后处理过程，得出 场域中