電力電子中傳導電磁干擾建模

為了實現電力電子功率變流器電磁干擾優(yōu)化設計，首先要建立無源元件、電力電子功率半導體器件、PCB板布線的EMI高頻模型，特別是必須能提取這些元器件和PCB板的寄生參數，然后才能建立功率變流器的EMI仿真模型，從而可以用電路仿真軟件和電磁場仿真軟件對功率變流器的EMI特性進行評估，其結果作為功率變流器電磁干擾優(yōu)化設計的*后依據。因此功率變流器EMI建模內容主要是元器件建模和PCB寄生參數的提取。我們通過以下幾點系統(tǒng)講述在電力電子中傳導電磁干擾建模。

一、開關器件的建模

電力電子功率變流器EMI主要由開關器件瞬時切換引起，因此開關器件建模必須**模擬其瞬態(tài)特性，如功率二極管的反向恢復電流以及MOSFET或IGBT開通、關斷時的電壓、電流變化。建模方法主要是子電路模型和基于半導體物理建立的模型。PIN二極管的子電路模型，但其工作范圍有限，而且通用性不好，同時PIN二極管的集中電荷模型進行了改進。而且用于傳導EM1分析的電力電子功率MOSFET子電路模型，在Saber仿真器中，以LDMOS的模型為核心，用子電路來模擬各極間電容，從而構建用于瞬態(tài)分析的VDMOS模型，能夠依據開關管數據手冊獲得模型參數。同時利用Saber中的MOSFET、二極管通用模型，通過優(yōu)化算法使開關管靜態(tài)、動態(tài)特性與實際情況接近。而且IGBT模型也是器件建模的重要內容。

二、無源元件建模 

無源元件包括導線、電纜、母線排、電感器、變壓器、電容器和電阻器等。一般用于傳導EMI分析的電容器高頻模型比較簡單，其等效電路為RLC串聯(lián)網絡，尺表示等效串聯(lián)電阻，L表示引線電感，C為實際電容值。更為**的模型要依據電容器物理結構建立，磁性元件的高頻建模和高頻特性研究主要采用基于場分析的理論計算方法和基于阻抗測量的參數提取法。 

在一些獨立供電系統(tǒng)中常采用鋼板導體作為系統(tǒng)的地平面，EMI噪聲會通過公共地阻抗耦合到不同的設備之間。考慮到交流集膚效應和電流集中效應的作用，采用三維模型分析了交流情況下扁平鋼板的電磁場分布，計算了不同頻率下鋼板的內部阻抗和外部電感，在低頻情況下鋼板阻抗基本為常數，主要是導體內部 阻抗的電阻部分，隨著頻率增加其阻抗逐漸 由純電阻向電感性阻抗轉化，在高頻情況下，阻抗基本為純電感性質，主要由導體的外部電感決定，阻抗隨頻率線性增加。 

三、PCB寄生參數的提取

當電路工作在較高頻率下，印制電路板布線間的分布參數如電容、電感就變得相當重要，不但會成為干擾耦合的通道，而且可能會影響電路的正常工作。因此設法提取分布參數建立線路板高頻模型已成為EMC設計工作的重要環(huán)節(jié)。提取印制電路間的分布參數有兩種基本方法：解析法和數值法。用解析法可以得到一些典型印制導線的分布參數計算式，針對具體的電路板設計運用這些算式可以估算出線路間的分布參數值。但是，要提取任意形狀的印制導線間的分布參數，還必須使用數值算法求解Maxwell方程組，如有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、矩量法(MoM)等等。這些數值法的基本思想都是通過離散化的方法把連續(xù)方程轉化為代數方程求解。