清华大学科研团队发表电力电子系统电磁干扰的研究新成果

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随着半导体器件功率等级提高、开关速度加快，开关过程引起的电磁干扰（EMI）问题也日渐突出。与传统的EMI问题不同，电力电子系统的EMI问题由功率半导体器件的开关瞬态过程引起，其本质上是一个能量瞬变问题而非信号传输问题，变换形式为脉冲型而非连续型波形，传输载体和路径本质上是空间电磁场而非仅是电路电压电流。这三个特点决定了传统上从信号传播、正弦周期量变换和集总参数等效电路的角度研究EMI的方法难以揭示电力电子系统EMI问题的本质特点和规律。

为此，电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系）的科研人员贾圣钰、赵争鸣、施博辰、朱义诚，在2021年第11期《电工技术学报》上撰文，从能量脉冲和电磁场瞬变过程的角度，对电磁场和载流子场耦合作用下的电力电子系统中的电磁脉冲进行建模分析。建立了面向电力电子系统EMI机理研究的三维电磁场数值模型，解算了微纳秒级开关瞬态过程中功率器件内部和空间中电磁场的分布及变化情况，并从数值计算和原理分析角度验证了所建三维电磁场数值模型的正确性。该研究成果为电力电子系统EMI机理研究提供了有效的数值分析基础。

电力电子技术的高速发展对功率半导体器件的功率等级、开关频率和响应速度的要求越来越高。在这样的要求下，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁带功率半导体器件由于具有更好的开关特性，成为研究和应用中的热点。但是，宽禁带半导体器件更快的开关速度，会引起空间电磁场更加剧烈的变化，由此产生的负面影响之一就是更加严重的电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）。

EMI问题有三个要素：干扰源、传播路径和敏感元部件。本研究成果聚焦于电力电子开关过程中的EMI问题，此时干扰源主要为电力电子开关过程中的瞬变电磁脉冲；传播路径主要为沿导线传导、近场耦合和远场辐射三种，并依据传播途径的不同将EMI分为传导、近场耦合、远场辐射三种。敏感元部件主要为电路中的电容、电感，控制信号回路，以及附近其他弱电装置等。由于电力电子装置中存在较大的di/dt、dv/dt，驱动控制回路与电磁能量回路距离近等因素，导致电力电子装置中EMI问题突出，经常带来异常脉冲、装置损坏等严重的后果。

在研究EMI方面研究人员已经做了很多工作。在传导和近场耦合EMI方面，主要集中于EMI的建模和抑制方法研究，多利用高频下的等效电路模型进行建模，使用傅里叶分析的方法在频域上进行研究。所使用的EMI抑制方法，也多为立足于电路分析的无源滤波器、有源滤波器、为噪声电流提供通路的电路拓扑设计及副边谐振技术等。

在辐射EMI方面的研究还较少，目前工作多集中于研究辐射EMI的建模、预测方法，建模时多利用带杂散参数的电路模型、天线模型等。总的来说，现有的研究侧重于EMI的建模、预测和抑制，使用的研究方法多为等效电路模型、等效偶极子辐射模型及频域分析等。

与传统电气设备的EMI问题不同，电力电子系统的EMI问题根源是功率半导体器件的开关瞬态过程，其本质上是一个电磁能量瞬变问题，变换形式为脉冲型，传输载体和路径对近场耦合和远场辐射EMI来说是空间电磁场，对传导EMI来说可以认为是沿电路导体的电压电流，但其物理本质也是电磁。这三个特点决定了传统上从信号传播、正弦周期量变换和集总参数等效电路角度研究EMI的方法难以揭示电力电子系统EMI问题的本质特点和规律。因此，清华大学科研团队从能量脉冲和电磁场瞬变过程的角度，对电磁场和载流子场耦合作用下的电力电子系统电磁脉冲进行建模分析，为开关瞬态过程EMI机理的研究建立三维电磁场数值模型。

图1 所选取的电力电子变换单元物理模型

该建模过程有三个难点：①由开关瞬态情形的特殊性决定了模型方程的复杂性；②模型的强非线性；③瞬态变化的快速性。科研人员针对这三个难点问题，建立了有效的三维电磁场数值模型，解算了微纳秒级开关瞬态过程中功率器件内部和空间中电磁场的分布和变化情况，并从数值计算和原理分析两个角度验证了所建模型的正确性，为从电力电子系统的物理本质出发对EMI进行机理研究提供了有效的工具。

科研人员以包含碳化硅MOSFET和二极管的互锁开关、电容和负载的电路为例，给出了从物理模型向数值模型的转换、对电磁脉冲的建模、解算结果的可视化表征、分析及正确性验证的全过程，并从电磁场角度初步观察提炼了EMI现象，从正确性和应用价值方面证明了该数值解算的有效性。与传统电路理论相比，本数值解算方法建立了电路、电磁场与载流子场的耦合作用下的三维模型，不仅考虑了更全面的物理因素，而且能更直观、本质地刻画EMI现象，有利于对EMI产生、传播及影响电路的机理进行深层次的研究。

科研人员在利用该数值模型研究EMI方面仅做了初步探索，未来将基于该模型继续深化研究，提炼总结电力电子开关瞬态过程EMI的机理，形成数学和物理层面的表征方法，更好地从理论层面为面向实际应用的工作提供指导。

以上研究成果发表在2021年第11期《电工技术学报》，论文标题为“电力电子系统电磁干扰数值建模分析”，作者为贾圣钰、赵争鸣 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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