功率變換電路電磁兼容建模及抑制方法

趙玉虎 明正峰 韓彬彬

功率變換電路電磁兼容建模及抑制方法

趙玉虎 明正峰 韓彬彬

（西安電子科技大學機電工程學院，西安 710071）

電力電子器件廣泛應用于功率變換系統中，其快速關斷產生的電磁干擾可影響整個變換系統的工作性能和效率，因此對功率變換系統進行電磁兼容建模分析和抑制研究十分必要。本文系統闡述功率變換電路的電磁兼容現象，分別從傳導干擾、近場耦合和輻射干擾三種干擾類型總結電磁干擾的建模方法及其相關關鍵技術，綜述電磁干擾抑制方法的研究現狀，歸納現有建模方法和抑制方法的優勢與瓶頸，為功率變換系統電磁干擾建模方法與抑制方法的進一步研究和應用提供參考。

功率變換系統；電磁兼容；電磁干擾；輻射干擾；傳導干擾；抑制

0 引言

在現代電力電子技術中，由于快速開關器件工作時的開關頻率比傳統開關器件的更高，功率密度更大，使電力電子裝置越來越小型化和高性能化，從而被廣泛應用于功率變換電路中。功率變換系統的開關器件在開關瞬態過程中，會產生快速變化的電壓和電流，高頻電壓和電流通過系統的寄生參數形成傳導干擾并影響敏感源，更高頻電壓和電流信號通過空間電磁場以輻射干擾形式影響敏感源。隨著電力電子變換器向高頻、高功率密度方向發展，電磁干擾（electromagnetic interference, EMI）問題日益嚴重[1]。為了保證功率變換系統工作時具有良好的電磁兼容（electromagnetic compatibility, EMC）性能，需要在產品設計階段進行電磁兼容預設計[2]。傳統研究EMC的方法是問題解決法和規范設計法，當功率變換系統出現電磁干擾后，再分析其原因，提出解決辦法，有時甚至采取耗時耗力的試錯法。針對功率變換系統的EMC問題，研究人員提出了區別于傳統方法的系統設計法[3]，如圖1所示，通過對功率變換電路系統的建模，在設計階段提出電磁干擾的抑制方法，從而大幅度提高系統效率和減小生產成本。

圖1 系統設計法（預設計）

電磁干擾耦合路徑如圖2所示，電磁干擾從源傳播到接收機有四種耦合途徑：源直接輻射到接收機；源直接輻射到與接收機相連的電源線纜或信號/控制線纜，電磁干擾傳導至接收機；電磁干擾由源的電源線纜、信號或控制線纜輻射到接收機[4]；電磁干擾通過公共電源線纜或信號/控制線纜直接傳導至接收機。電磁干擾根據傳播途徑可分為傳導干擾、近場耦合、遠場輻射。傳導干擾是功率變換系統的電磁干擾的主要來源，如圖3所示，內部耦合和外部耦合的傳導干擾發射占據系統EMI主要部分。傳導干擾根據傳播路徑又分為共模干擾和差模干擾，如圖4所示：在主回路傳導的電流引起的干擾為差模干擾；同向傳導并通過雜散參數對地回路電流引起的干擾為共模干擾。近場耦合干擾可分為電場耦合和磁場耦合兩種，兩者的能量通過寄生電容和寄生電感傳輸，并對應著感生電場和感生磁場效應，感生的電磁場越強，則干擾源越強，越容易建立耦合路徑[5]。遠場輻射干擾是由電磁波的空間傳輸引起的。在開關動作瞬態過程中，這三種干擾同時存在并影響其他設備的正常工作。

針對上述電磁干擾問題，研究人員提出了相應的EMC建模方法，并依據電磁干擾三要素，即干擾源、傳播路徑和敏感源[6]，在電磁干擾抑制方面做了大量的研究工作。本文系統闡述功率變換系統的傳導干擾及輻射干擾的建模方法和抑制措施的研究進展，總結不同建模方法的理論模型、實施方法和優缺點，歸納各類抑制措施的工作原理、實施途徑和適用性，基于此，討論功率變換電路電磁干擾建模方法和抑制方法的研究瓶頸和進一步研究方向。本文第1節總結功率變換系統電磁兼容的建模方法；本文第2節歸納功率變換系統電磁場干擾的抑制方法；本文第3節進行總結。

圖2 電磁干擾耦合路徑

圖3 傳導干擾發射

圖4 共模干擾和差模干擾

1 功率變換系統電磁兼容建模

1.1 傳導干擾

功率變換系統傳導干擾建模的常用方法為等效電路法。等效電路主要是指傳輸模型的電路等效，通過簡化干擾源的發射特性和耦合通道模型，將設備間的相互耦合關系簡化成電路分析中的一個等效傳輸模塊的分析方法，并將其轉化為可以導入電路仿真中的一個電路仿真模塊，進行系統的場路完整分析[3]。等效電路建模方法可分為時域方法和頻域方法。關于時域方法，研究人員用基于物理結構或基于行為的設備模型表征噪聲源。首先采取參數提取方法完善電路模型，然后使用Saber或Pspice等軟件模擬該電路模型并獲取干擾電流的時域波形，最后采用離散傅里葉變換得到預測噪聲頻譜。頻域方法則采用替代理論，用噪聲源代替原始開關，使電路線性化。傳統方法將開關波形假設為梯形波來表征噪聲源，而原始開關在高頻的實際波形為振鈴波形，則高頻時預測的噪聲頻譜精度較低。目前均采用測量方法獲取原始開關時域波形，獲取的波形經過傅里葉變換到頻域，從而進行電磁干擾頻譜預測。在對功率變換系統的共模干擾和差模干擾進行等效電路建模時，關鍵在于提取電路寄生參數和干擾源參數。寄生效應參數提取方法可分為兩類：通過部分單元等效電路（partial element equivalent circuit, PEEC）、模型降階（model order-reduction, MOR）和Ansys等有限元數值方法仿真提取寄生參數；通過測試方法提取端口網絡散射參數和電路阻抗參數。

1）基于數值模擬等效電路

PEEC理論在1972年由A.E. Ruehli提出，它是基于積分的電磁場數值計算方法。文獻[7]建立分析接地回路的電磁干擾的PEEC模型，研究了接地網兩點間的阻抗特性。文獻[8]拓展了PEEC在大尺寸接地回路阻抗特性領域的研究。文獻[9]采用PEEC方法，建立三電平IGBT共疊層母線變流裝置的等效電路模型，詳細分析整流器和逆變器功率器件開關暫態電磁耦合影響問題。PEEC理論在電磁兼容領域應用廣泛，但在非線性材料的理論建模、局部細節建模的計算成本和精度選擇、趨膚效應損耗的近似等效等問題上存在瓶頸，有待進一步發展。有限元分析是基于電路特性的黑盒測量，例如二端口網絡的參數[10]值和電路中的寄生參數。文獻[11]利用Ansoft Spicelink軟件提取電路中的寄生參數，該方法可以精確提取三維結構的RLC寄生參數，自動生成Spice等效電路，適合電路系統的綜合分析。文獻[12]采用Ansys軟件的Cmatrix宏指令求解EMI共模、差模模塊的電磁參數，該方法的分析速度快于文獻[11]，但是求解精度低于文獻[11]。模型降階技術有利于等效電路表征，但這些電路是功能性的，與參數一致，不利于對器件內部運行的物理洞察[13]。

2）基于實驗測試等效電路

寄生效應也可通過測量或測量和全波模擬聯合獲取。在實際應用中，設備電氣設計參數難以獲得，甚至如功率、工作頻率等關鍵參數也無法準確獲得，導致無法建立精確的電磁兼容性模型。為分析系統的寄生效應，提出一種通過測試提取設備諧波干擾特性、電源的噪聲頻譜等信息，進而建立電磁兼容性模型的方法[3]。測試獲取寄生效應的方法主要分為以下三類。

文獻[14]采用一種便捷的系統函數法，通過幾次簡單測試可比較全面地分析脈寬調制（pulse width modulation, PWM）調速系統中接地電流的EMI特性。文獻[15]利用測出的開關電源典型耦合通道傳遞函數，有效地描述傳導干擾耦合通道特性。文獻[16]結合大量的實驗測試分析干擾與開關動作的本質作用關系，確定主要的干擾源和耦合通道，進而建立簡單的電路模型精確描述開關電源變換器的電磁干擾特性。這類通過多次實驗測試獲取規律性的解析式[14-16]表達電磁干擾特性的方法，其建立的電磁兼容模型相比傳統方法建立的模型更簡化，精度更高。

測試方法另一類應用環境是根據測試參數，建立等效電路。文獻[17]提出一種頻域模塊化建模方法，建立諾頓等效電路，利用測試儀器獲取傳播路徑參數[18-21]，構建功率變換系統的電磁干擾預測模型。這類方法可以針對性地測試器件或模塊的參數，減少實驗測試的復雜程度，提高系統電磁兼容分析的可操作性。

第三類測試方法可以直接描述器件的寄生效應。文獻[22-23]通過對陶瓷電容器阻抗值和功率模塊引腳的測量，獲取并定義了器件內部的寄生效應。

測試方法可結合計算方法和仿真方法來獲取系統的寄生參數，適用于實際中復雜的工程。文獻[24-25]綜合考慮系統中電動機內部的耦合效應，通過實驗測試與理論計算，建立電動機的高頻等效電磁干擾模型。文獻[26]采用測試獲取端口網絡參數和有限元仿真寄生參數結合的方法，建立平衡阻抗和EMI濾波器共模插入損耗之間的關系，預測平衡阻抗取值。

3）參數提取方法的特點與展望

功率變換電路系統中，采用數值方法獲取的電路的寄生效應參數可更全面、更精準地預測電磁干擾特性。但對實際的功率變換器而言，由于其開關瞬態性能、電路連線的三維結構及無源器件的非線性等因素的影響，數值方法對其進行精確描述比較困難，預測的電磁干擾精度存在一定誤差，并且需要較大時間成本[15]。采用實驗測試方法獲取電路的寄生效應參數可較快地對EMI進行定量分析，準確預測EMI的時域波形和頻譜特性。但是測量儀器的分辨率、尺寸及示波器精度的限制，以及在較寬頻段的測量中，測試回路存在的分布電容，均會影響測試結果[6, 8]。在對功率變換電路系統進行電磁干擾預測時，需根據實際裝置選取相應的參數提取方法。對于復雜裝置而言，結合實驗測量和數值方法共同獲取寄生效應參數是必然的趨勢。

1.2 近場耦合

近場耦合的變化遵循以下規律：在時間上，與電壓電流的變化同步；在空間上，與物理量大小和印制電路板（printed circuit board, PCB）布線情況相關[7]。基于此，近場耦合的能量傳輸可以采用矩量法、有限元等數值方法和實驗測試方法進行建模分析[3]。

1）數值模擬

PEEC包含互感和互容，有利于近場耦合的建模。文獻[27]采用PEEC方法主要考慮系統電路之間的互感耦合，而文獻[28]專注于系統電路和地阻抗的耦合分析，為進一步完善系統級電磁干擾提供了理論依據。矩量法是功率變換系統EMC設計應用的理想方法[29]，該技術相比有限元等其他技術具有更快的分析速度和求解精度。文獻[30]針對電氣設備間的互耦干擾和外部放射源產生的耦合干擾同時存在的情形，采用改進的最小方均二乘法結合矩量法，實現被測信號幅值、相位的優化計算。基于傳統的數值方法，文獻[31]提出一種具有橫向分割的波形松弛技術和延遲提取無源緊湊電路宏模型的有效時域方法，該方法利用等效源的概念避免了復雜的解耦問題，提高了數值方法的計算效率和精度。

2）實驗測試

近場耦合強度與耦合兩者間的距離、相對角度有關，不易計算得出，可采用實測的方法確定。文獻[32]采用加激勵測試另一器件感應電壓的方法獲取功率因數校正電源與EMI濾波器間耦合互感，進而建立包含器件間磁耦合效應的高頻電路模型。

1.3 輻射干擾

目前，在輻射EMI噪聲分析方面大多采用遠場測試、近場測試、電磁場仿真、統計方法[33-34]及電磁場數值計算方法[35]。

1）實驗測試

功率變換系統輻射干擾的實驗測試包含三類：TEM（transverse electro magnetic）、GTEM（gigahertz transverse electro magnetic）小室測量；近磁場測量；小頻帶掃描。文獻[36]分別采用TEM小室測量、近磁場測量、小頻帶表面掃描分析了多芯片模塊的輻射分布。TEM、GTEM小室[37]方法可測量被試對象的詳細輻射分布，但是無法給出輻射源的具體信息。近場探測方法[38]可快速定位輻射源并初步描述輻射源。近場掃描方法[39]可描述輻射源信息，獲取詳細輻射分布。

2）統計方法

現代高密度印制電路板的統計特性和復雜的布線，以及模擬和數字電路的混合配置，使多層相鄰線路的天線效應無法被估計[33-34]。基于此，統計方法被用來分析PCB的輻射發射特性。文獻[34]提出一種利用軌跡定向函數估計PCB輻射磁化率，進而分析印制電路板電磁兼容性的統計方法。文獻[33]采用無窮小電偶極子模擬PCB的輻射發射[40]，基于偶極子模型的電流估計提出一種確定PCB功率分布的統計方法，該方法適用于復雜PCB結構輻射水平的快速檢測。文獻[41]采用一個簡單的緩沖區對CMOS的傳播延遲、功耗和瞬態行為進行建模，基于此提出一種統計方法估計超大規模集成電路系統的PCB布局的功耗分布和電力消耗圖，可用于系統的電磁干擾分析。

3）數值方法

高速數字混合多層PCB設計需滿足EMC設計標準，傳統數值方法在分析這類問題時存在瓶頸，因此需要開發先進的電磁兼容建模方法。文獻[42]針對多層印制電路板上的輻射電磁兼容耦合問題，提出一種新的數值建模方法Kron。Kron方法集成了電磁發射、泰勒和場互連耦合模型，可有效預測單層微帶和多層PCB之間的寬帶輻射耦合。

1.4 電磁場建模

電磁兼容性模型可分為兩類，一類用于提取參數，另一類用于解決場及能量的分布問題。前者與“等效路”方法緊密相關，“等效路”中等效的傳輸模塊參數需建立模型進行提取，將其轉化為可以導入電路仿真中的一個仿真模塊，進行系統分析。后者屬于“場”的方法。“場”的方法是基于麥克斯韋方程直接求解系統電磁輻射問題，如有限元差分法、傳輸矩陣方法、矩量法和時域積分方程法等數值方 法[3]。文獻[43]提出一種穩定的快速多極子方法，適用于模擬具有小尺寸幾何特征物體的電磁散射。文獻[44]建立了一個功率逆變器系統的三維有限元模型，適用于研究輻射場的功能行為，但對系統中電流環的精確有限元邊緣建模仍存在不確定性。文獻[45]采用有限元法，綜合考慮母線型EMI濾波器“磁-熱-流體”多物理耦合場特性，能全面分析電磁輻射分布，但是增加了幾何建模和剖分難度。文獻[46]提出基于CST軟件的平面變壓器共模EMI建模方法，該三維電磁仿真模型可在設計初期準確預測平面變壓器EMI性能，且適用于整個傳導EMI頻段和部分輻射EMI頻段。文獻[9]從能量脈沖和電磁場瞬變過程的角度，給出了開關瞬態過程中功率器件內部和空間的電磁場分布和變化情況，從根本原理上描述了電磁干擾，為電力電子系統EMI機理研究提供有效的數值分析基礎。

1.5 電磁兼容建模方法展望

為了獲取系統更精確的電磁兼容性模型，需進一步研究建模理論和優化方法。當系統存在復雜的傳導或輻射耦合交聯關系，設備之間形成復雜的場路耦合關系時，需要從電磁場和電路兩個方面對系統進行綜合仿真分析，既進行相應的電磁仿真，又在電路仿真分析中充分考慮電磁環境的影響[47]。基于此，提出一種場路協同技術。該技術將外部電磁發射形成的場均等效為電路層面的干擾源，并最終實現在電路層面上對系統電磁兼容性的綜合仿真[3]。

針對功率變換系統的電磁干擾問題，國內外制定了對應的EMC標準。國際上執行IEC 61000—3標準，規定電源及電源系統的傳導干擾電壓頻帶為150kHz～30MHz，輻射干擾頻帶為30MHz～1GHz。我國國標GB/T 21419—2013規定民用傳導干擾頻段為150kHz～30MHz，國軍標GJB151B—2013規定軍用電源線傳導發射頻段為10kHz～10MHz。其中較低頻段的電磁干擾模型容易被建立，而10MHz以上頻段的EMI耦合路徑復雜。并且在實際中存在各種非理想的因素，給中高頻段的EMI建模帶來挑戰。因此，通過優化電磁數值模擬技術和測試方案，建立包含非線性、時延、寬頻帶和耦合靈敏特性等因素的完全的精確電磁兼容模型，是需攻克的另一技術瓶頸。

2 功率變換系統電磁兼容抑制方法

功率變換系統的電磁兼容問題與干擾源、耦合路徑和敏感源有關。基于此，有兩種思路抑制系統的EMI：一是降低噪聲源頻譜和噪聲平衡；二是切斷干擾源與敏感源的耦合路徑。常用降低噪聲源頻譜的方法有軟開關技術、主電路拓撲優化、PWM和門極驅動技術，噪聲平衡技術有反相繞組法。常用的切斷耦合路徑的方法有EMI濾波器、印制電路板布局優化和屏蔽技術[48]。其中，軟開關和脈寬調制屬于控制策略優化技術，這兩種成熟的技術已經被應用到產品的開發和設計中，PCB布局優化技術會增加產品研發的成本，目前推廣應用較慢，濾波器是目前采用最多的EMI抑制技術，但是它的使用增加了產品的體積和質量[49]。

2.1 濾波器

電磁干擾濾波器裝置在設備端口，將設備整體視為“黑盒子”，不考慮其內部噪聲的產生和耦合機理，利用噪聲源阻抗與濾波器阻抗失配原理，切斷設備間的耦合路徑，從而抑制傳導噪聲。這種方法實用性強，但不能從根源上消除功率變換器內噪聲的發射[50]。濾波技術的研究集中于其類型、阻抗、結構、電路拓撲和系統設計等方面。

EMI濾波器類型可分為模擬EMI濾波器和數字EMI濾波器。模擬EMI濾波器分為無源EMI濾波器（passive EMI filter, PEF）、有源EMI濾波器（active EMI filter, AEF）和混合有源EMI濾波器（hybrid active EMI filter, HAEF）。PEF電路拓撲簡單，運行可靠，但其體積和質量較大、濾波特性受系統參數限制、補償頻帶窄。AEF濾波特性相比PEF較好，但由于功率損耗和增益帶寬的限制，其抑制高頻噪聲電流的能力不強。HAEF由PEF與AEF相結合構成。HAEF中有源器件可放大無源器件阻抗，即存在阻抗倍增效應，但其寬頻范圍內抑制效果不佳。模擬濾波器沒有從根本上解決EMI濾波器的體積和功耗問題。數字有源EMI濾波器（digital active EMI filter, DAEF）因不在主電路中串聯器件，從根本上解決了濾波器體積和功耗的問題，且不受功率和電流的限制[51]。數字有源EMI濾波器是數字化開關功率變換器傳導EMI抑制技術發展的新方向。文獻 [51]通過分析系統中的延遲時間及寄生參數，建立計及延遲時間和無源電路寄生參數的DAEF系統精確模型，更加準確地描述了DAEF的濾波特性，有利于DAEF設計。

EMI濾波器的噪聲抑制效果與噪聲源阻抗的精度有關。文獻[52]提出基于雙阻抗校準和麥夸爾特的噪聲源阻抗提取方法，針對如何獲取被測噪聲源阻抗的幅值、相位及其電阻、電容和電感參數，濾波器的設計更具一般性。文獻[53]研究了一種可分別考慮共模和差模噪聲源阻抗影響的阻抗提取方法，該設計方法更具針對性和可靠性，但適用性較差。

濾波器的結構設計可增強其噪聲抑制效果。文獻[45]提出一種新型集成式母線型EMI濾波器，將傳輸線與濾波器相結合，對噪聲電流實現“反射”與“耗散”雙重衰減，加強了濾波效果。文獻[54]提出一種基于一定繞線策略的新型集成濾波器，該濾波器可通過設計繞組只增加差模電感，并且保持共模電感值與傳統濾波器一致，可使濾波器尺寸減少約20%。文獻[55]提出一種濾波與整流器合并的裝置，利用三象限MOSFET線性控制的方案，可減小無源濾波器的尺寸，提高功率轉換器的功率密度。

EMI濾波器的電路拓撲設計可優化濾波效果。文獻[56]針對非隔離光伏逆變器光伏陣列側的共模干擾問題，給出直流側EMI濾波器設計方法，并對4種濾波器拓撲進行了研究分析。文獻[57]提出一種帶有阻抗失配網絡的EMI濾波器網絡設計法，該設計利用濾波器端口阻抗失配所產生的反射損耗對EMI濾波器的工作狀態進行有效配置，適用于平面環形濾波器。文獻[58]提出濾波器拓撲和濾波元件參數同步設計方法，有助于解決EMI濾波器設計中反復實驗迭代和過設計的問題。

濾波器的系統設計方法可提高其濾波效率。文獻[59]提出一種基于轉移函數的共模干擾濾波器設計方法，在電動機驅動系統的逆變器直流側和交流側均設計了共模干擾濾波器。該方法可保證在交流側共模干擾強度不增加的同時，有效抑制直流側共模干擾。文獻[60]通過分析逆變器的傳導干擾與差模干擾的耦合系數關系，計算了使變換器整體功率密度最大化的臨界耦合系數，基于此設計了相應的EMI濾波器。

2.2 脈寬調制

脈寬調制是決定電力電子噪聲的主要因素，可改善系統中逆變器輸出電壓波形質量，抑制傳導電磁干擾。文獻[61]提出3種改善電磁干擾噪聲的脈寬調制方法，分別是變開關頻率PWM、載波移相PWM和零共模PWM。頻率調制技術是一種直接控制干擾源、減小系統EMI、改善系統電磁兼容性的有效方法[62]。在頻率調制降低開關變換器EMI噪聲的技術中，采用的調制信號從最初的正弦信號、隨機信號，發展為混沌信號[63]。隨機信號和混沌信號均具有寬頻特性，且混沌信號實現成本更低。文獻[62]將優化后的三狀態Markov鏈引入隨機周期調制技術中，降低了功率變換器輸出電壓紋波，提高了電壓輸出精度。文獻[63]提出一種應用于開關變換器、從源頭上降低噪聲的混沌頻率調制技術[64]，由于頻率調制占空比恒定，該技術對輸出電壓影響較小。文獻[65]提出一種抑制共模干擾的空間矢量脈寬調制（space vector pulse width modulation, SVPWM）控制方法，通過對電壓矢量的優選降低共模電壓的變化率，可在幾乎不增加諧波的情況下降低系統的共模電壓和電流。調制波移相PWM算法具有良好的共模電壓抑制效果，但其輸出電壓的諧波含量較高，降低了該算法的實際應用價值[66]。文獻[66]提出一種消除共模電壓的調制波移相PWM算法，通過與傳統SVPWM、改進SVPWM和載波反向層疊調制算法對比分析，驗證了該算法抑制T型逆變器共模電壓的有效性。從直流電壓利用率、輸出電壓和共模電壓抑制效果等方面綜合考慮，改進SVPWM算法的綜合效果好，具有實際工程應用價值。零共模PWM技術可充分利用并聯變換器多矢量組合的自由度，使矢量合成效果為零矢量，完全消除共模電壓[66]。

與濾波器方法相比，脈寬調制方法具有不增加系統成本和設計難度的優勢，且對不同功率等級系統的通用性較高。由于控制方式的改變，該方法會對逆變器輸出電壓造成不利影響[66]。PWM方法或逆變器控制方法對減少差模干擾的作用較大，對共模干擾的抑制效果不是很理想，整體上可起輔助抑制作用。

2.3 軟開關技術

軟開關技術通過降低系統功率器件產生的d/d和d/d改善EMI噪聲[67]。軟開關技術根據應用的電路拓撲[67]不同，需制定相應的軟開關方案。部分功率變換系統軟開關特性易受系統參數擾動影響，從而影響抑制EMI效果。文獻[68]通過分析系統拓撲參數的擾動，給出關鍵參數配置方法，提高了系統零電壓軟開關的穩定性。軟開關技術可與電路拓撲優化相結合，改善系統EMC性能。文獻[69]提出一種零電壓開通N型交錯并聯三電平變換器，該方案可減小其輸入電流紋波和開通損耗，抑制EMI效果良好。軟開關技術是從機理上抑制變換器EMI，但其受系統參數影響，不能從根源上完全改善系統電磁兼容性能。

2.4 門極驅動技術

高頻開關器件在開關瞬態過程中會產生高d/d和d/d，進而產生嚴重的電磁干擾，適當的門極驅動電路可減少EMI[70]。優化的門極驅動電路具有低干擾和損耗、高開關頻率的特性，但高頻開關器件使這些特性相互沖突，從而增加了門極驅動電路的設計難度。基于此，文獻[70]提出一種新的MOSFET三階驅動電路，該驅動電路通過靈活控制門極電阻大小來獨立控制電壓及電流的變化率，可在不影響開關速度的情況下減小電磁干擾及開關損耗。文獻[71]提出一種基于驅動脈沖自動校準的全橋電路共模抑制方法，該方法主要依賴軟件完成，實現成本低，且可在共模電流特征頻段上獲取約10dB的衰減，具有較好性價比。

寬禁帶器件和Si器件性能分布如圖5所示，碳化硅和氮化鎵等寬禁帶功率器件可以提高變換器的功率密度和效率，并且具有遠高于硅的開關速度，可以在更高頻的工況下運行，因而受到廣泛關注。然而更高的開關頻率不僅帶來電磁干擾，還在開關過程中產生了高頻振蕩和尖峰應力等瞬態問題[72]，使器件驅動設計面臨新挑戰。

碳化硅器件需要18～20V的柵極驅動電壓來開啟具有低導通電阻的器件，并且需要特定的柵極驅動器切換到“關閉”狀態。因此，開發了特殊的柵極驅動芯片滿足這些要求。文獻[73]提出一種智能柵極驅動方案，可以自動調節器件驅動電壓和柵極電阻，從而降低高頻振蕩和尖峰。當器件運行在高壓工況時，有源主動柵極驅動技術[74]可通過改變柵極電阻值動態調節電壓和電流的變化率，進而削弱器件的振蕩和尖峰，改善變換器的電磁兼容性能。

氮化鎵器件存在更嚴重的振蕩和尖峰問題[72]。文獻[75]研發出一種集成電平位移電路和自舉電路的驅動芯片，可以高速可靠地驅動器件。分段柵極驅動技術[76]也可以有效驅動氮化鎵器件。文獻[77]提出一種新的級聯柵極驅動電源結構來降低移相全橋變換器的共模電流，共模干擾抑制效果良好。

2.5 反相繞組法

圖6 Boost共模干擾反相消除電路

2.6 電路拓撲優化

電路拓撲優化技術可以通過調整系統阻抗來抵消噪聲源。文獻[83]提出一種基于電路拓撲的大阻抗比平衡橋的共模降噪方法，該技術可在較寬頻帶內大幅度抑制共模噪聲。

文獻[84]采用基于惠斯通電橋和疊加定理的平衡技術，加上濾波電感作為去耦電感，因此共模噪聲阻抗增加，降低了電磁干擾噪聲。該方法在電路系統中可靈活抑制各節點干擾，充分提高整個系統的電磁兼容性，工程應用性強。

2.7 PCB布局和器件結構優化

PCB布局和器件結構優化分別通過改變噪聲傳輸路徑和系統阻抗來抑制EMI。文獻[85]通過改進PCB布局[86-87]來提高集成電路系統的EMC性能。文獻[88]采用分離式散熱器與阻尼緩沖器相結合的方法來降低碳化硅JFET型逆變器的共模和差模噪聲，在高頻范圍內的抑制效果更佳。文獻[63]通過分析確定功率器件對地寄生電容是影響共模干擾的主要因素，增大功率器件導熱片與散熱器之間導熱硅脂的厚度，從而增大開關器件對地寄生阻抗，有效降低變換器系統的低頻傳導噪聲，該方法可減小變換器體積且實現成本低，具有工程應用價值。

2.8 電磁干擾抑制方法展望

每個系統和功率變換器都需要特定的電磁干擾抑制技術和電磁干擾濾波器優化，為了獲得更好的性能和更高的效率，濾波器尺寸和增加元件之間的優選配置方案是必要的[79]。在復雜工況下，多種電磁干擾抑制技術的有效性評估，多種相適應的EMI抑制技術聯合的可行性設計，以及搭建可預設計并量化評估抑制措施的仿真實驗平臺，是需要進一步研究的工作。

以圖7所示三相功率變換器系統為例，為了獲取該系統更好的電磁兼容性設計，可在變換器的直流側和交流側添加相適應的濾波器，通過調整控制電路獲取合適的軟開關技術和脈寬調制技術，基于驅動電路結構優化門極驅動方案，甚至對系統的主電路拓撲和PCB布局進行優化和改善，綜合評估多種抑制技術聯合設計的可行性，實現功率變換系統功能指標和電磁兼容性相協調。

圖7 三相功率變換器系統

3 結論

隨著電力電子技術的發展，更快速、集成度更高、尺寸更小的功率器件及組件被更多地應用于功率變換電路系統，電路系統的電磁兼容性設計更具挑戰性。本文系統介紹了功率變換系統電磁干擾噪聲的發射和傳播機理，闡述了系統電磁兼容性主要建模方法和電磁干擾抑制措施，總結了現有EMI建模方法及其關鍵技術的特點和面臨的挑戰，歸納了現有EMI抑制措施的實施手段和適應性，指出了其技術瓶頸，并對研究前景進行了展望。未來可加深對場路聯合建模的研究，優化電磁數值模擬技術和實驗測試設計，以及專注于對多種電磁干擾抑制方法的聯合設計和抑制干擾方案的一般性設計的探究，進而形成預估系統電磁干擾和采取相應EMC對策的理論和規范，使系統的EMC設計更加合理高效。

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Electromagnetic compatibility modeling and suppression methods of power conversion circuits

ZHAO Yuhu MING Zhengfeng HAN Binbin

(School of Mechano-Electronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071)

The power electronic devices are widely used in power conversion systems. The electromagnetic interference generated by the fast turn-off can affect the performance and efficiency of the entire conversion system, so it is necessary to research the electromagnetic compatibility analysis and suppression method of the power conversion system. Therefore, the electromagnetic compatibility phenomenon of power conversion circuits is studied systematically in this article. The electromagnetic interference modeling method and related key technologies about the conducted interference, the near-field coupling and the radiation interference are introduced. The theory and research status of electromagnetic interference suppression methods are reviewed, and the advantages and bottlenecks of the existing modeling methods and suppression methods are summarized. Therefore, this review could provide guidlines to further research and application of electromagnetic interference modeling and suppression method of power conversion system.

power conversion system; electromagnetic compatibility; electromagnetic interference; radiation interference; conducted interference; suppression

2022-02-10

2022-03-09

趙玉虎（1994—），男，湖北省宜昌市人，博士研究生，研究方向為控制理論與控制工程。