多開關(guān)并聯(lián)拓?fù)涞膫鲗?dǎo)EMI耦合機(jī)理研究

研究背景

隨著電力電子裝置在電動汽車、分布式能源以及航空航天等大功率領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，單只開關(guān)管往往無法滿足電流應(yīng)力需求，多開關(guān)并聯(lián)拓?fù)渥鳛橐环N經(jīng)濟(jì)有效的擴(kuò)容方式被廣泛采用。但基于多開關(guān)并聯(lián)技術(shù)的電力電子裝置，特別是當(dāng)多開關(guān)并聯(lián)拓?fù)鋺?yīng)用于大功率模塊時(shí)，由于其內(nèi)部布局緊湊，空間有限，寄生參數(shù)較多，所以其電磁干擾問題尤為嚴(yán)重。

成果簡介

針對寄生參數(shù)對傳導(dǎo)干擾的影響，建立了多開關(guān)并聯(lián)拓?fù)涞亩嘣肼曉磦鲗?dǎo)干擾感性耦合模型，以及傳導(dǎo)干擾等效數(shù)學(xué)模型，從定量角度更精確地描述了多開關(guān)并聯(lián)支路間寄生電感在不同頻段下對傳導(dǎo)干擾的感性耦合作用，提出了不同頻段下寄生電感的強(qiáng)弱耦合理論，并為解耦電容的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

亮點(diǎn)提煉

(1)基于多開關(guān)并聯(lián)支路間寄生電感的感性耦合特性，建立了多開關(guān)并聯(lián)拓?fù)涞亩嘣肼曉措姶鸥蓴_感性耦合模型，分析了寄生電感對并聯(lián)多噪聲源的感性耦合作用。如圖1所示，由于各開關(guān)管之間寄生電感的耦合作用，越遠(yuǎn)離直流母線端子的開關(guān)管，會引起幅值更大的高頻振蕩電壓，其高頻EMI噪聲源頻譜也會有更大的幅值，這充分反映了感性耦合理論對電磁干擾源的影響。

圖1 當(dāng)5只開關(guān)管并聯(lián)時(shí)，雙脈沖電路中各開關(guān)管噪聲源的EMI頻譜圖

(2)建立了多開關(guān)并聯(lián)拓?fù)涞膫鲗?dǎo)干擾感性耦合模型并給出定量化的等效數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)不同頻段下的等效阻抗和等效電流變化情況，分析了并聯(lián)支路間寄生電感的強(qiáng)弱感性耦合機(jī)理。如圖2所示，隨著頻率的不斷增大，并聯(lián)支路間寄生電感對電路的感性耦合作用不斷增強(qiáng)，對傳導(dǎo)干擾的抑制效果越來越明顯。

圖2并聯(lián)開關(guān)管數(shù)目N=2, 3, 4, 5時(shí)，共模電壓Vcm(N)的噪聲頻譜圖

(3)建立了含解耦電容的多開關(guān)并聯(lián)拓?fù)湓肼曉葱?a target="_blank">信號模型和差模傳導(dǎo)干擾數(shù)學(xué)等效模型，仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)解耦電容增大時(shí)，解耦電容會吸收更多的高頻成分，噪聲源頻譜會降低，從理論角度證明了當(dāng)解耦電容的位置越靠近開關(guān)支路時(shí)，差模傳導(dǎo)干擾的抑制效果越好。如圖3所示，當(dāng)寄生電感靠近開關(guān)管A部分小于寄生電感遠(yuǎn)離開關(guān)管B部分時(shí)，開關(guān)瞬態(tài)高頻振蕩的幅值在時(shí)域和頻域中均減小。

圖3寄生電感A部分和B部分比例為5nH:5nH, 1nH:9nH, 9nH:1nH時(shí)，開關(guān)管1的漏源極電壓Vds1的頻譜圖

前景與應(yīng)用

與傳統(tǒng)電磁干擾建模方法相比，本研究所提方法從定量角度更為精確地描述了多開關(guān)并聯(lián)支路間寄生電感在不同頻段下對傳導(dǎo)干擾的感性耦合作用，為多噪聲源并聯(lián)電磁干擾問題的研究提供了有效的方法，并且為解耦電容的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。本研究工作可以為基于多開關(guān)并聯(lián)技術(shù)的電力電子裝置從電磁干擾角度提供必要的理論參考和設(shè)計(jì)依據(jù)。

完成人與研究團(tuán)隊(duì)介紹

西北工業(yè)大學(xué)電力電子技術(shù)團(tuán)隊(duì)依托“飛機(jī)電推進(jìn)技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，現(xiàn)有教授1人，副教授3人。研究團(tuán)隊(duì)技術(shù)力量雄厚，承擔(dān)了大量國家重點(diǎn)型號工程項(xiàng)目的研究及機(jī)載設(shè)備和武器裝備的研制，積累了大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，特別是在武器裝備功率變換器、機(jī)載二次電源變換器、飛機(jī)供電特性參數(shù)測試平臺等領(lǐng)域研究項(xiàng)目覆蓋諸多國家和國防重點(diǎn)型號任務(wù)，近三年國家級科研經(jīng)費(fèi)到款1200余萬，授權(quán)或公開國家發(fā)明專利10余項(xiàng)，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文30余篇。