固态继电器传导干扰分析技术的研究--优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 固态继电器传导干扰分析技术的研究 research on conducted interference of solid state relay 黄勇 黄勇 2009 年年 6 月月 中图图书分类号 tm581 学校代码 10213 国际图书分类号 621 3 密级 公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 固态继电器传导干扰分析技术的研究 硕 士 研 究 生 黄勇 导师 翟国富教授 申 请 学 位 工学硕士 学 科 专 业 电气工程 所 在 单 位 电气工程及自动化学院 答 辩 日 期 2009 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index tm581 u d c 621 3 dissertation for the master degree in engineering research on conducted interference of solid state relay candidate huang yong supervisor prof zhai guofu academic degree applied for master of engineering specialty electrical engineering affiliation school of electrical engineering and automation date of defence june 2009 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘 要 固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关器件 具有寿命 长 灵敏度高 控制功率小 转换迅速等特点 广泛应用于工业 军事 航空 航天等领域 复杂 恶劣的工作环境要求固态继电器具备足够小的传导发射以 及足够强的抗传导干扰能力 以保证其工作的可靠性 因此开展固态继电器传 导干扰分析技术的研究 对提高工业 军事 航空航天系统的稳定性与可靠性 具有重要作用 本文首先综合了固态继电器传导干扰分析技术的国内外研究现状 提出了 固态继电器传导干扰分析技术的总体方案 然后建立了电阻 电容 电感 二 极管 三极管 变压器和印刷线路板的高频模型 并提取模型参数 在此基础 上 开展了固态继电器传导发射性能的研究 根据国军标 gjb1515a ce102 的 规定 采用人工电源网络进行仿真及试验 得到固态继电器输入端的传导发射 量 进一步提出了抑制传导发射的方法 并进行了试验验证 除此之外 还开 展了固态继电器传导敏感度性能的研究 针对尖峰干扰 电压跌落 短时中断 和电快速脉冲群分别进行仿真及试验分析 分析在这几种传导干扰下固态继电 器的工作状态 得出尖峰干扰 电压跌落 短时中断和电快速脉冲群对固态继 电器工作状态的影响 最后 开发了基于 c builder 的固态继电器传导干扰 二次开发软件系统 该系统摆脱了在仿真软件中的繁琐建模过程 只需要用户 进行继电器 干扰源及仿真参数等的设置 便可以进行固态继电器传导干扰仿 真 该软件系统界面友好 便于操作 极大地方便了对固态继电器进行传导干 扰仿真 本课题的研究对于提高固态继电器的设计质量 及其电磁兼容指标具有重 要的理论意义和实用价值 关键词 固态继电器 传导发射 传导敏感度 软件二次开发 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract solid state relay ssr is a non contact switching device constituted by solid state electronic components which has long life expectancy high sensitivity low power and quick conversion characteristics ssr is widely used in industrial military aerospace and other fields in order to guarantee the reliability of ssr in complex and serious working environment conducted electromagnetic interference emi from ssr should be depressed and the performance of ssr should be strong enough to sustain ambient conducted emi therefore research on conducted interference of ssr is of both theoretical and practical value to improve the stability and reliability of industrial military and aerospace systems this paper analyzed the present status of the conducted emi of ssr home and abroad and proposed a way of the research on conducted interference of ssr this paper established the high frequency models of resistors capacitors inductors diodes and transistors and extracted the high frequency distribution parameters of printed circuit board based on this the conducted emi emission of ssr was studied the levels of conducted emission were obtained in both simulation and experimental ways furthermore this paper proposed the method of depressing the conducted emi besides the research on the susceptibility of ssr was launched under the interference of peak interference voltage drop short term disruption and electricity rapid pulse groups finally this paper built secondary development software system for conducted emi analysis of ssr based on c builder it offered the users the functions of setting the types of relay interference and simulation parameters without the complex modeling process the users can analyze the conducted emi of ssr easily and conveniently the study in this paper is of both theoretical and practical value for improving the quality and emc performance key words solid state relay conducted emission conducted sensitivity secondary development of software 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii 目 录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 课题研究的目的和意义 2 1 2 国内外研究现状 3 1 2 1 电磁兼容技术的研究现状 3 1 2 2 电子元器件高频建模及模型参数提取技术研究现状 4 1 2 3 印刷线路板高频建模及寄生参数提取技术研究现状 6 1 2 4 继电器电磁兼容性的研究现状 8 1 2 5 固态继电器电磁兼容技术的研究现状 9 1 3 课题的研究内容 10 第 2 章 固态继电器元件模型的建立 12 2 1 引言 12 2 2 电子元器件电磁兼容建模及模型参数的提取 12 2 2 1 电阻 电容 电感 12 2 2 2 二极管 14 2 2 3 三极管 15 2 2 4 变压器 18 2 3 印刷线路板电磁兼容建模及寄生参数的提取 20 2 3 1 印刷线路板电磁兼容模型的建立 20 2 3 2 耦合互感的计算 20 2 3 3 寄生参数的软件提取 22 2 4 本章小结 23 第 3 章 固态继电器对外传导发射干扰分析 24 3 1 引言 24 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 3 2 固态继电器传导发射产生机理 24 3 3 固态继电器传导发射仿真分析 25 3 3 1 仿真模型 25 3 3 2 仿真结果与分析 26 3 4 固态继电器传导发射的试验分析 26 3 5 固态继电器传导发射的抑制 27 3 5 1 传导发射抑制方案 27 3 5 2 设计步骤 30 3 5 3 测试结果与分析 32 3 6 本章小结 33 第 4 章 传导干扰对固态继电器影响分析 34 4 1 引言 34 4 2 传导干扰下的固态继电器模型 34 4 3 尖峰干扰对固态继电器的影响分析 35 4 3 1 尖峰干扰产生机理 35 4 3 2 尖峰干扰数学模型 36 4 3 3 尖峰干扰的加载 37 4 4 4 尖峰干扰对固态继电器的影响 38 4 4 电压跌落和短时断电对固态继电器的影响分析 39 4 4 1 电压跌落和短时断电机理 39 4 4 2 电压跌落和短时断电试验发生器原理 39 4 4 3 电压跌落和短时断电对固态继电器的影响 40 4 5 电快速脉冲群对固态继电器的影响分析 41 4 5 1 电快速脉冲群的产生及特点 41 4 5 2 电快速脉冲群数学模型 42 4 5 3 电快速脉冲群的加载 42 4 5 4 电快速脉冲群对固态继电器的影响 43 4 6 本章小结 44 第 5 章 固态继电器传导干扰二次开发软件系统 45 5 1 引言 45 5 2 软件系统概述 45 5 2 1 软件系统开发的总体思路 45 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v 5 2 2 pspice脚本文件简介 45 5 3 软件系统的开发过程 47 5 3 1 ansoft q3d软件的调用 47 5 3 2 pspice软件的调用 47 5 3 3 仿真结果的读取和显示 48 5 4 软件系统的应用示例 50 5 5 本章小结 51 结 论 52 参考文献 53 攻读硕士学位期间发表的学术论文 57 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 58 致 谢 59 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 1 课题背景 固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关器件 利用电子 元器件的电 磁和光特性达到无触点 无火花地接通和断开被控电路 固态继 电器具有高寿命 灵敏度高 控制功率小 快速转换等特点 广泛应用于工业 军事 航空航天等领域中 在控制等方面起着至关重要的作用 电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中不受干扰能正常工作并不对该环 境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 1 早期武器系统军事效能单一 其电控系统设计方案也相对简单 各种执行控 制 信号传递 系统配电等功能电路分布在其所属的控制区域或可安装的位置 离散分布导致了大量点对点的多线缆连接 对系统总体的测试 维护及重量等都 有很大影响 同时也为多军事效能的武器系统的可靠性埋下了重大隐患 2 随着电子和微电子技术迅速发展 武器系统的复杂程度 智能程度也越来越 高 现代战争对武器系统的军事效能要求提高 即要求在机动性 打击能力 生 存能力等方面有更大改进和提高 武器系统由单一性转变为多用途 系列化的发 展原则要求各部分功能电路必须采用集成模块化设计思想以提高现代武器系统 的可靠性 根据对近期新引进的国外武器系统电控部件国产化工程的研究分析发现 国 外武器系统总体设计发展思想发生了一个重要转变 即各种继电控制功能器件 如电磁继电器 固态继电器 时间继电器 半导体功率器件等 电路尽可能地 被设计集成到一个集中的组合 控制盒 模块中 该模块具有统一实现系统需要的 电流 电压控制功能 由此基于先进模块化思想形成了以不同继电器和电子线路 连接构成的电控组合模块 实现了武器系统功能界限清晰 可靠性高 扩展性强 检测 维护和保养方便的特点 在国外武器控制系统中 已大量应用各种功能模 块及控制组件盒 完成如电源变换 系统保护 动作执行 伺服控制等功能 通 过集成设计 缩小了体积 提高了可靠性 目前 现代军事战争中进行的电子对抗战中 敌电子设备的辐射信号对我军 武器装备中的电子系统威胁很大 对于我电子系统的耐电磁辐射环境能力提出了 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 严峻的考验 因此包括固态继电器及电子模块在内的国防电子系统电磁兼容性能 将直接决定在未来战争中能否克敌制胜的关键 开展固态继电器电磁传导干扰分 析技术的研究 对提高工业 军事 航空航天系统的稳定性与可靠性有着十分重 要的作用 本文的研究隶属于解放军总装备部 十一五 预先研究项目 军用继电器及 其组合模块电磁兼容性技术的研究 1 1 2 课题研究的目的和意义 为了保证电气设备具有良好的电磁兼容性 在产品的设计阶段就应当进行 emc设计 而不是在产品生产出以后 出现问题才采取亡羊补牢式的措施 产品 的设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题 采用电磁兼容预测软件进 行分析 从设计的最初阶段就采取各种措施 避免电磁兼容问题 采取这种方法 通常能在产品形成之前解决 90 以上的电磁兼容问题 3 图 1 1 所示为电磁兼容 设计成本与现有技术在开发各阶段的关系 在产品的设计 试验 生产这个周 期中 越早考虑电磁兼容 成本越低 越是到后边的阶段 成本越高并且控制手 段越少 4 5 图 1 1 电磁兼容设计成本与现有技术在开发各阶段的关系 电磁兼容设计的目的是使电子设备能够各自发挥预期功能 并且系统内各设 备之间不发生互相干扰 达到兼容的要求 为了满足固态继电器的研发与试制 结合国军标的相关规定研究其传导干扰性能已是当务之急 综上所述 本文开展固态继电器传导干扰分析技术的研究目的在于通过产品 设计环节使固态继电器抗电磁传导干扰能力得到提高 继电器对外的传导发射得 到抑制 本研究对于提高固态继电器的设计质量 及其电磁兼容指标和国防武器 装备系统的可靠性具有重要的理论意义和实用价值 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电磁兼容技术的研究现状 世界各国电磁兼容技术的发展很不平衡 美国 英国 德国等西方发达国 家早在二次世界大战前就开始了电磁兼容技术的研究 每年都投入大量的人力 物力和财力 开展很多相应的研究工作 因此这些国家在关于电磁兼容技术的 研究 标准的制定和电磁兼容测试及认证等领域已处于世界领先地位 美国先 后制订了许多工业 军事标准以限制电磁干扰 由其军方所发布的标准继续在 这一领域起着示范作用 除了基本的军事标准mil std 461 462 463 外 美军 也发布了几个其他标准 这些标准涉及系统电磁兼容和诸如雷达 飞行器电源 航天系统 海军平台 移动通信等各种设备的设计和运行要求 随着人们对电 磁兼容认识的深入 产品电磁兼容性达标认证已由一个国家范围发展到一个地 区或一个贸易联盟采取统一行动 从 1996 年 1 月 1 日起 欧洲共同体 12 个国 家和欧洲自由贸易联盟的北欧 6 国共同宣布实行电磁兼容许可证制度 使得电 磁兼容认证与电子产品安全认证处于同等重要的地位 在此基础上 国外某些 学者在电磁兼容方面颇有研究 美国的hjarmar ottenson对人为噪声的电磁兼容 性进行了研究 他分析了人为噪声的来源 特点 性质和测量方法 并且对噪 声场分布进行了数学推导和归纳 对场干扰仿真具有指导意义 6 新加坡国立 大学的weiliang yuan er ping li针对具有屏蔽机壳的电子设备 首次提出了利 用矩量法 mom 计算流过信号线与机壳结合点处的感应电流 将外部电磁干扰 对内部电路的影响等效为由短路电流和等效电阻组成的等效源模型的思想 并 将其方法应用于多层pcb 板连接线的ems 分析中 计算得到的结果通过 ansoft hfss仿真进行了验证 7 8 我国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 因而对 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 直到 20 世纪 80 年代才有组织 系统地研究并制订国家级和行业级的电磁兼容性标准和规范 随着我国工业化 信息化进程的加快 电子电气设备日益得到广泛的应用 在 军事 航天航空 通信等领域部门 电磁兼容技术也受到格外的重视 电磁兼 容性工程设计和预测分析在实际的科研工作中得到了长足的发展 目前 电子 产品的军用设备要满足 gjb151a 97 gjb152a 97 标准 民用设备要满足 gb9254 gb6833 等标准或行业内规定的有关标准 国内不少单位都在改造扩建emc实验室 如机电部四所于 1985 年按 mil std 285 ieee 299 的要求建成了电子屏蔽室 又根据电子产品emc的要 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 求 购置了频率范围和检波方式适用于mil fcc等要求的自动测试接收系统 和附件 北方交通大学电磁兼容科研室也购置了不少高性能指标的仪器 具备 了较好的试验能力 航空工业系统 已建成大型反射暗室 3 个 可进行空间电磁 模拟实验 小型暗室 4 个 大型屏蔽室 11 个 在 5 个地区建立了测试中心 具备了较为先进的emi ems测试系统 9 时至今日 随着计算机技术的迅猛发展 电磁兼容建模和分析技术也已经 上升到了一个新的水平 电磁兼容更是发展成为一门尖端的交叉性学科 其内 容几乎涉及现代各个部门 如电力 电子与电器 通讯 交通 航空航天 国 防工业 医疗等等 该学科涉及的理论基础包括数学 电路 电磁场 信号分 析 通信 材料科学 生物医学等等 由此可见 电磁兼容与人民生活 工业 生产 国防建设紧密相关 尽管我们在近来一段时期 在 emc 领域取得了一 定的成果 但是同国外在该领域的研究进展相比 还存在很大差距 因此 我 们要认清与国外 emc 研究水平的差距 努力开展我国电磁兼容技术的研究 加大电磁兼容学科的发展力度 此项工作刻不容缓 1 2 2 电子元器件高频建模及模型参数提取技术研究现状 为了进行电路模拟 必须先建立电路各元器件的模型 一个理想的元器件 模型 应该既能正确反映元器件的电学特性又适宜在计算机上进行数值求解 而电路模拟的精度除了取决于器件模型外 还直接依赖于所给定的模型参数的 数值是否正确 准确的提取器件模型参数在计算机模拟分析中十分重要 目前常用的模型 参数提取方法大致有 直接测量法 工艺参数计算法及通过测量各种特性曲线 及简单计算或曲线外推得到模型参数 模型参数总体优化提取等方法 1 2 2 1 二极管高频建模及模型参数提取技术 晶体二极管是半导体器件中最常见和最简单的常用器件之一 目前国内外 对其 spice 模型参数的优化提取算法讨论较多 从八十年代开始 国外许多科 研人员对半导体 pn 结器件进行了大量的研究 并且取得了不少成果 文献 10 12 根据i v特性研究了肖特基二极管主要参数的提取 norde首先 提出了理想二极管串联电阻的提取 10 sato等和cheung等则对非理想情况进行 了研究 11 12 但其模型都有一定的局限性 y c liang和e tatakis利用子电路 方法建立了pin二极管正向导通 反向恢复模型 13 14 但这种模型不是根据器 件的基本方程建立的 所以仅适用于较窄开关状态 c h xu和r kraus提出了 一种更加精确的解析方法用来建立pin二极管模型 15 16 但是对基区内载流子 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的动态分布进行了简化和近似 文献 17 19 利用集总电荷的方法建立了用于正 向导通 反向恢复的pin二极管模型 简化了边界条件和关态时电压的建立 文中并没有谈论这种建模方法的精确度 文献 20 22 利用离散化分网的方法建 立扩散方程 从而提出一种非常精确的pin二极管模型 但是计算所需时间较 长 要求复杂的电路仿真器和扩散方程求解器 antonio g m提出了一种新的 pin二极管建模方法 对双极性扩散方程进行合理近似的拉普拉斯变化 从而 得到基区的等效电路 23 浙江大学丁扣宝等采用pn结二极管模型考虑了并联电导对电流的影响 在 i v特性曲线上读取四级 v i 值 用牛顿法对模型方程组进行数值求解 24 浙 江大学袁义生等描述了一种能够仿真pin二极管传导emi的高频模型 25 该模 型全面考虑了二极管的正向恢复 端区复合以及空间电荷区边界移动效应 1 2 2 2 三极管高频建模及模型参数提取技术 目前 双极性晶体管模型主要采用的是 em2 模型和 gp 模型 这两种模型 均属物理模型 其模型参数能较好地反映物理本质且易于测量 所以便于理解 和使用 em模型是 1954 年由j j ebers和j l moll首先提出的 其思想是三极管可认 为是基于正向的晶体管和基于反向的晶体管的叠加 三极管的发射结和集电结如 果用两个二极管来代替 再加上描述两个结通过窄基区的传输载流子的特性 用 一个和频率有关的电流源来代替 由于这种em模型将电流增益作为频率的函数 来处理 对计算晶体管存贮效应和瞬态特性不方便 所以改进的em模型用了电 荷控制观点 增加电容到模型中 当然pn结电容都包括势垒电容和扩散电容两部 分 进一步再考虑到发射极 基极和集电极串联电阻 以及集成电路中集电结对 衬底的电容cjs 于是得到em2 模型 em2 模型由于引入了三个电阻 对晶体管直流特性的更精确描述有了改进 使饱和区及小信号下的直流特性更符合实际 电容及电阻的引入也使交流和瞬态 特性的表征更加完善 所以 em2 模型使用于大多数情况 但由于 em2 是考虑了 欧姆电阻和电荷存贮效应的一阶模拟的模型 所以仍存在着一些局限性 gp 模型是 1970 年由 h k gummel 和 h c poon 提出的 spice 和 pspice 用的是改进的 gp 模型 与 em 静态模型相比 gp 静态模型的特性有了改进 表现在以下几个方面 1 低电流 值下降 描述 b i电流的 4 个模型参数c2 nel c4和ncl使低电 流的 值下降 2 基区宽度调制效应 基区宽度调制效应是通过改变基区宽度 耗尽层 的 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 值 来改变集电结和发射结结电压 3 大注入效应 又叫大电流效应 晶体管共射极电流放大系数 f 或 r 将随电流的增加而减小 4 基区电阻随电流变化 由参数rb rbm和irb表征 gp大信号电路模型的拓扑结构与em模型相同 其非线性存储元件 电压控 制电容的方程也与em模型相同 只是ibc和icc由iss和qb的值决定 双极型晶体管模型参数的提取可以采用标准的模型参数提取软件 但是提取 的模型参数精度不高或适用范围较窄 国内外专家学者在晶体管模型参数的提取方法上作了大量的研究 k doganis和p yang改进了利用最小二乘法建立非线性目标方程 提取模型 参数的方法 26 27 这种方法所建立的目标方程包含所有模型参数 不同于优化方 法 krzysztof garwacki根据器件特性曲线建立参数最少的非线性目标方程 采用 直接优化方法提取模型参数 28 a d sadovnikov等提出双极型晶体管在线性区 和半饱和区工作状态下spice模型参数提取方法 通过减少需要优化的模型参数 数目和根据实验计算初猜值的方法可以加快优化速度 29 华中理工大学高俊雄等 通过计算机控制实现数据自动采集 采用模型参数 总体优化提取方法提取晶体管gp模型参数 建立晶体管gp模型参数自动提取系 统 30 在文献 31 中高俊雄等进一步提出了一种新的可应用于晶体管参数提取 的全局寻优算法 简化了参数提取过程 在算法中首次采用了一种新的方差调整 方案 从而提高了收敛速度和精度 在众多的双极型晶体管模型中 sgp spice gummel poon 模型在过去的几十年里得到了广泛的使用 然而 随着工艺的不断 改进 sgp模型已经不能准确地模拟双极型晶体管的特性 于是 出现了各种改 进的晶体管模型 这些改进的晶体管模型包括mextram模型 hicum high current bipolar compact transistor model 模 型 和 vbic vertical bipolar inter company 模型等 mextram是一种建立在物理特性上的模型 它不仅能够很 好地表征各种工艺所制备的纵向晶体管的特性 包含温度可缩放公式 而且其参 数具有很好的几何缩放特性 东南大学池毓宋等在mextram模型缩放性的基础上 提出了可缩放mextram模型的参数提取方法 结合不同几何尺寸的硅双极型晶体 管的测试数据进行了参数提取 32 1 2 3 印刷线路板高频建模及寄生参数提取技术研究现状 电路工作在较高频率时 印数线路板导线间的分布参数如电阻 电容 电 感就变得相当重要 成为干扰耦合的通道 分布参数过大时可能影响电路的正 6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 常工作 因此建立线路板高频模型并提取其分布参数已成为 emc 设计的重要 环节 1 2 3 1 印刷线路板的高频建模 h amemiya和c w ho采用不同方法建立长平行传输线串扰耦合模型 但 是所建立的模型仍然是二维模型 不能应用于三维结构中 33 34 karen m coperich等通过计算得到传输线单位长度电阻值和传输线间的耦合互感值 从 而建立了宽带传输线模型 进一步分析了信号频率对信号传输损耗的影响 35 西安交通大学路宏敏等采用等效电路模型 建立了短传输线的串扰耦合模 型 分析了短传输线间的串扰响应和约束串扰大小的条件 对印刷线路板导线 优化设计具有一定的指导意义 38 华中科技大学胡平林等采用基于矩量法的 ansoft designer仿真软件建立印刷线路板仿真模型 计算pcb的近场电磁辐射分 布 37 1 2 3 2 寄生参数的计算 当前 ic 设计正逐步由亚微米向深亚微米工艺过渡 特征尺寸已减小到 0 18 m 并广泛应用 5 至 6 层布线技术 使得芯片内互联规模日渐增大 结构日 趋复杂 互联寄生效应已成为制约电路实现高速 高集成度的关键因素 因此 快速 精确地提取互连寄生参数已成为 ic 设计中十分重要的环节 对于耦合互感的计算 albert e ruehll首次提出了局部元等效电路 peec 方法 针对一个三维多触点系统 通过计算得到系统的寄生电阻 耦合互感 耦合电容 从而建立其等效电路模型 38 该方法精度较高 可用于时域和频域 的分析计算 但计算效率低于二维结构模型 frank b j leferink等比较了几种 传输线互感耦合系数计算方法的优缺点 给出了实际应用中可能出现的一些典 型传输线结构互感耦合系数的计算公式 更进一步给出了平面矩形导线与带孔 或缝 形状不同的导线计算结果的比较 对耦合电感的计算具有一定的指导意 义 39 henglin chen等采用局部元等效电路 peec 原理提取了 型emi滤波器 中元器件与pcb导线间的寄生电感 研究了寄生电感对emi滤波器滤波效能的 影响 40 西安交通大学曾翔君等采用局部元等效电路 peec 原理对低压大电流 混合封装电力电子集成模块内部功率电路与控制和驱动电路之间的互感耦合进 行了计算 41 peec方法广泛用于集成电路中互连导线的寄生参数建模 这种 方法主要采用局部参数的概念和剖分原理对互感进行数值求解 对于耦合电容的计算 目前 互联寄生电容的提取方法大致可以分为两大 类 1 数值计算方法 该方法主要采用有限差分法 有限元法和边界元法等 7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 近十年来 边界元法因其精度高 变量少及处理复杂结构能力强等优点得到了 更多的重视和应用 并提出了诸如多极加速 层次式计算及虚拟多介质等多种 加速算法 但仍难以满足大规模快速提取的实际需要 而对于一般的有限差分 发 有限元法 最大的问题是 计算精度 稳定性和速度三者难以兼容 2 建库方法 此方法速度较快 但精度较差 对三维复杂互连结构的适应 性仍有待提高 有两种建库方法 a 分析模型建库是通过三维场求解器获得某 些基本单元的分析模型并建库 应用时则根据二维版图信息作布尔运算以判断 出对应的基本单元 并将基本单元电容迭加得到总电容 但这种方法的误差有 时很大 且难以处理复杂的三维结构 b 电容宏模型建库是cmu的dengi等在 1997 年提出的 42 该方法以场方程离散化为基础 在建立宏模型库后 不直接 求解离散化后的方程 而是消去导体以外的节点 直接得到导体间电容矩阵 因此 它比分析模型法的计算精度高 却比通常数值计算节省大量运行时间 北方交通大学李蓉等探讨了引起电路产生共模辐射的主要原因之一 散热 片与器件间的耦合电容 采用有限差分方法 fdtd 计算了高频端散热片与器件 间的耦合电容 对实际散热片的选择和安装具有一定的指导意义 43 武汉大学 丁文等采用快速层级算法 fhm 提取了ic互连线 3d电容值 该方法是边界元法 求解 3d电容积分方程的一种加速方法 不仅提高了求解精度 而且加快了求解 速度 44 1 2 4 继电器电磁兼容性的研究现状 继电器作为基础自动控制元件 是国防电子系统不可缺少的基础元件 广 泛地应用于卫星 运载火箭 导弹 核武器 飞机 舰艇 战车 自行火炮 鱼雷 水雷 通讯 雷达等武器装备中 在其导航 点火发控 信号传递 电 源切换 姿态调整 自动控制等分系统中起着重要的作用 45 国外专业继电器 生产厂商以及研究机构对继电器结构及电磁系统进行电磁兼容性基础分析的研 究工作较多 据相关资料报道 日本岐埠大学利用有限元方法对双继电器进行 两者之间的磁场窜扰情况进行分析 并得出磁场之间的窜扰对其动态特性的影 响程度 研究在一个有限空间内放置两继电器的情况下的磁场情况和动态特性 的影响 46 在继电器向小型化 集成化发展趋势下 这些研究将为以后在有限 的空间内集成多个继电器的组合模块打下良好的理论基础 另外 日本电器学 科专家研究了继电器触点动作拉弧产生的发射干扰频谱 该研究给出了电弧干 扰发射的等效模型 最后得出银触点通断小电压电流时的频谱分布规律 47 熊 本大学同时还研制出用于继电器触点干扰发射的频谱仪对电弧发射干扰进行实 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 验分析 该研究以触点回路的布局 引线的设计作为依据 可对集成继电器模 块中电弧发射干扰进行抑制 48 美国密苏里大学电磁兼容实验室在继电器的 esd方面进行了深入的研究 并对esd发生器参数进行了仿真计算 49 德国专 家发表论文中对继电保护用继电器抗高压一次侧投切干扰进行了研究 建立了 干扰耦合模型 分析了保护用继电器受干扰的机理 50 国内在对继电器的电磁兼容性能方面 开展的工作较少 这主要跟我国的 国情有关 本身在继电器的设计方面还和国外存在较大差距 加上电子元器件 的电磁兼容研究起步较晚 直接导致我国在继电器的电磁兼容领域 开展的工 作不足 梁飞通过自行设计的检测电路 观察记录了电磁继电器工作于不同类 型负载时的电磁干扰波形 通过研究发现接通电感性负载时产生的干扰幅值较 小 而且其波形为一幅值递减的振荡波 比电阻负载产生的波形更有规律 51 范结义针对固体继电器的电磁兼容性的检测项目和内容进行了论述 并指出固 体继电器电磁兼容性设计的难点和重点 电快速瞬变 静电放电和雷击浪涌 52 国营七九二厂通过研究对继电器的电磁干扰现象进行了分类 并针对各种不同 类型的干扰 给出了相应的抑制方法 对于研制和开发具有电磁兼容性指标的 高可靠性继电器 组合模块及控制系统 提高电子设备的抗电磁干扰能力具有 重要意义 53 但其采用的方法主要依据经验进行定性分析 从上述文献看出 国内针对继电器电磁兼容性开展的研究相对分散 不成系统 1 2 5 固态继电器电磁兼容技术的研究现状 国外针对继电器的测试及标准建立工作开展的较早 早在60年代 人们就认 识到了变电站里面的恶劣电磁环境 会对继电器及其保护装置产生很大影响 因 此 针对继电器所受到的传导干扰 建立了iec255系列测试标准 主要规定了如 何对继电器及其保护装置进行尖峰电压 电快速脉冲群以及静电放电测试 给出 了相应的试验等级 以检测继电器能否正常动作 90年代初 ieee的一份研究报 告指出 在过去的15年里 无线电话所引起的继电器误动作频繁发生 这引起了 众多继电器生产厂家和用户的关注 需要相应的标准测试来明确给出引起继电器 误 动 的 rf 能 量 的 限 值 因 此 由 ieee 电 力 系 统 继 电 器 委 员 会 拟 定 了 ansi ieeec37 90 2测试标准 对测试参数给出了明确规定 测试频率从25 1000 mhz 幅值为10 20 v m 92年 该测试标准被归入iec255系列 成为一项标准 测试 美军标mil std 461e 国军标gjb151 152 则规定了军用电器电磁兼容性的 基本要求 如允许产生电磁噪声与干扰场强的标准 对军用电气设备及系统进行 电磁兼容性测试的要求以及方法的规定等 日本的takashi harada norio masuda 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 等人对电路板对外磁场干扰作了详尽的分析 他们给出了电路板周围磁场的模 型 并且提出了电路板环内磁通变化时感应电场的计算和求解方法 对固态继电 器电磁兼容性分析有一定理论价值和参考意义 54 国内固态继电器行业军用标准 是按照 电子元器件军用标准化体系表明细 表 同时依据相对应的美军标准 mil 制定出来的 如gjb1515a 2001 固体继 电器总规范 等 但都未涉及到继电器的电磁兼容问题 继电器领域中唯一涉及 到电磁干扰试验的标准是gb t14598 量度继电器和保护装置的电气骚扰试验 由此可见 我国在继电器的电磁兼容性标准尚未完全建立 而且各继电器生产厂 家和用户 对于继电器电磁兼容性概念相对模糊 以致于并未提出相应的电磁兼 容指标 国内对固态继电器电磁兼容性能方面的研究刚刚起步 这主要跟我国的国 情有关 本身在继电器的设计方面还和国外存在较大差距 加上电子元器件的 电磁兼容研究起步较晚 直接导致我国在继电器的电磁兼容领域 开展的工作 不足 西安理工大学李守智等改善了光控mos栅固态继电器的电路结构 并详 细分析了它的工作原理及其光电特性 55 范结义针对固体继电器的电磁兼容性 的检测项目和内容进行了论述 并指出了固体继电器电磁兼容性设计的难点和 重点 电快速瞬变 静电放电和雷击浪涌 从上述文献看出 国内针对固态继 电器开展的研究较少 特别是对固态继电器电磁兼容性能的研究更少 综上所述 开展固态继电器及电子模块传导干扰技术的研究 建立完整的 理论分析体系 包括准确的分析模型 电磁兼容预测技术以及相应的测试方法 研究固态继电器对外的电磁干扰抑制技术以及本身的抗干扰能力 最后形成完 善的电磁兼容标准 使继电器厂家和用户能看到明确的电磁兼容性指标 这些 研究工作的重要性和迫切性不言而喻 1 3 课题的研究内容 本文以固态继电器为研究对象 对固态继电器进行高频建模及提取线路分 布参数 并研究固态继电器对外传导发射干扰以及承受外部尖峰 电压跌落 短时断电和电快速脉冲群的性能 利用 c builder 开发工具建立固态继电器 传导干扰二次开发软件系统 课题的主要内容如下 1 建立电阻 电容 电感 二极管 三极管 变压器高频模型 并提取模 型参数 建立印刷线路板的高频模型 研究耦合互感的计算 并利用软件提取 印刷线路板的寄生参数 2 建立固态继电器对外传导发射模型 仿真与试验相结合 分析固态继电 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 器对外传导发射 并提出抑制措施 3 建立固态继电器受传导干扰影响的仿真模型 分析尖峰电压 电压暂降 短时中断和电快速脉冲群对固态继电器工作状态的影响 4 建立固态继电器传导干扰二次开发软件分析平台 图 1 2 所示为本文研究内容的整体结构框图 图 1 2 本文研究内容的整体结构框图 11 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 固态继电器元件模型的建立 2 1 引言 为了进行电路模拟 必须先建立电路各元器件的模型 一个理想的元器件 模型 应该既能正确反映元器件的电学特性又适宜在计算机上进行数值求解 而电路模拟的精度除了取决于器件模型外 还直接依赖于所给定的模型参数的 数值是否正确 准确的提取器件模型参数在计算机模拟分析中十分重要 目前 常用的模型参数提取方法大致有 直接测量法 工艺参数计算法及通过测量各 种特性曲线及简单计算或曲线外推得到模型参数 模型参数总体优化提取等方 法 电路工作在较高频率时 印数线路板导线间的分布参数如电阻 电容 电 感就变得相当重要 成为干扰耦合的通道 分布参数过大时可能影响电路的正 常工作 因此建立线路板高频模型并提取其分布参数已成为 emc 设计的重要 环节 本章首先对电阻 电容和电感进行高频建模 然后分别建立二极管 三级 管和变压器的高频模型 最后分析印刷电路板的线路分布参数 并进行耦合电 感的计算 2 2 电子元器件电磁兼容建模及模型参数的提取 2 2 1 电阻 电容 电感 1 电阻器 电阻器最主要的寄生参数是寄生电感和寄生电容 其高频等效电路如图 2 1 所示 其中 a 适合于高阻值的电阻器 b 适合于低阻值的电阻器 因为高阻值 电阻器里串联寄生电感影响较小 并联寄生电容的影响较大 低阻值电阻器正 好相反 a 高阻值电阻器 b 低阻值电阻器 图 2 1 电阻器高频模型 2 电容器 12 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 电容器呈现的特性和频率有很大关系 在很宽频率范围内均可用图 2 2 所 示等效电路表示 c 为电容 rs 等效串联电阻 rp 为旁路电阻 l 为电容器电 感 图 2 2 电容器高频模型 电容器的旁路电阻是介质在电场中的泄漏电流造成的 在固体介质中 泄 漏电流较小 一般可忽略 但在一些高精度电容器和一些电解电容器中则不能 忽视 它将使能量损耗 发热和功率因数变化 电容器的电感是电容器内部电 极电感及外部引线电感之和 电容器的内部电极电感和电容器的结构有关 而 外部引线电感可按直圆导线的电感量来确定 电感和串联电阻限制了突然充电 和放电的瞬态过程的电流变化率 因而影响电路的时间常数 并在电路中增加 了功率损耗 因此选择电容器时要求小的串联电感和电阻 3 电感器 电感器也是电路中常用的元件 可用于高频振荡回路 滤波 抑制高频谐 波 消除瞬态干扰 时间延迟回路等 电感器是将线圈绕在非磁性和磁性的芯 子上 有单层也有多层绕制 有蜂房式也有分段多层式 有圆柱线圈还有环形 线圈 一个理想的电感器只有电感 但实际上它含有电阻及固有寄生电容 其等 效电路如图 2 3 所示 其中为电感器的电感量 lrs为内部串联电阻 为线 圈的寄生旁路电容 c为线圈至屏蔽体或地的寄生电容 一般情况下 因此可以略去不计 电感器上的旁路电容与电感在一定频率 c cc 0 f时会产生谐振 此谐振点决定了电感器的工作频率的上限 固有寄生电容的存在不仅限制了电感线圈的最高工作频率 而且使线圈的 有效电感及损耗电阻增大 有效品质因数下降 线圈的工作稳定性降低 图 2 3 电感器的等效电路 4 寄生参数提取 13 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 电阻 电容 电感寄生参数的提取主要有解析法 网络分析仪测量法 谐 振电路法及数值法等 在 emc 研究的频率范围内 采用高频网络分析仪实验 测量法简单易行 本文采用高频网络分析仪实验测量法 可以获得电阻器 电 容器 电感器的高频模型 2 2 2 二极管 二极管的等效模型如图 2 4 所示 图 2 4 二极管的等效电路 这一模型的 i v 特性满足见式 2 1 a t ds v nv iie1 2 1 式中 s i 反向饱和电流 t v 热电势 n 发射系数 被选作一附加参量 目的是使模型与实际测量更趋近一 致 在大多数应用中趋近于 1 0 扩散电容和结电容组合成更具一般形式的单一电容c 对于结电容 有如式 2 2 所示关系 d c j c j j a a diff d d 1 j qc c v v v 0 diff 2 2 式中 势垒电压 diff v 二极管结系数 对于渐变结二极管取值0 5 mm 实际中一旦外电压超过阀电压后 结电压几乎与外电压呈线性关系 阀 电压通常为内建电势的一半 即 a v m v m 0 5vv 所以在整个外加电压范围内 描述 结电容的近似公式如式 2 3 14 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 j0 am a diff j j0am am a diffm diff 1 1 1 m m c vv v v c cvv mv v vv v v 2 3 扩散电容与有关 并满足式 2 4 a v a t ds t d at d d v nvqi c vnv e 2 4 式中 t 渡越时间 一般而言 pn结二极管的总电容c可划分为三个区域 1 只有耗尽层电容最重要 a 0v j cc 2 耗尽层和扩散电容相结合 adif 0vv fd cc 实际二极管中的电荷注入与提取由电荷中性区内的电压降所形成的电场来 完成 这个电压降可由一串联电阻 s r模拟 总电压可由式 2 5 表示 sdtds ln 1 vr invii 2 5 二极管模型中未知模型参数的提取可以根据产品数据手册给出的特性曲线 拟合模型方程的方法提取模型参数 同以往的方法相比 只需少量的试验测量 而且真正将模型和参数提取相结合 从而保证了参数的准确性 由此得到某型号 二极管的模型参数如表2 1所示 表 2 1 二极管模型参数 ns m s r a se i v b v 0 m r ns sw 295 13 1 19e 170 85 2030 24 0 nsm t a s i 0 pfj c m ns re