多電飛機系統傳導電磁干擾交互作用機理分析及建模

摘 "要：采用270V直流配電的多電飛機系統中電力電子設備眾多，單一設備的傳導電磁干擾很容易影響其他設備。為了探究復雜工況下設備間的傳導電磁干擾交互作用機理，以DC/DC變換器、DC/AC逆變器和電機及其驅動器三種典型設備為研究對象進行研究。首先，對典型設備依據功能劃分不同的運行工況。然后，分別建立了各設備的高頻等效模型，在此基礎上建立系統的高頻等效模型。根據不同運行工況，分別研究設備間的電磁干擾交互作用機理。研究發現，設備間的電磁干擾交互作用既體現在干擾源的增加，又體現在新傳導路徑的引入，新傳導路徑會造成新的諧振問題。最后，仿真和實驗結果表明，基于設備間電磁干擾交互作用機理搭建的仿真模型對諧振尖峰幅值的預測結果與實驗誤差在5dBμV以內，模型符合度很好，證明了機理分析和建模的正確性。

關鍵詞：多電飛機系統；設備間電磁干擾；高頻等效模型；干擾源等效；直流供電系統；電磁兼容

DOI：10.15938/j.emc.2024.07

中圖分類號：TM85 " " " " " " 文獻標志碼：A " " " " "文章編號：1007 -449X（2017）00-0000-00（編輯填寫）

Interaction mechanism analysis and modeling of conducted electromagnetic interference interaction in multi-electric aircraft system

XU Yiming1， DUAN Jiandong1， SUN Hongpeng2， ZHANG Tao2， ZHANG Gang1

（1. School of Electrical Engineering amp; Automation， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China;

2. Shenyang Aircraft Design and Research Institute， AVIC， Shenyang 110035， China）

Abstract： There are many power electronic devices in the multi-electric aircraft system with 270 V DC power distribution， and the conducted electromagnetic interference of a single device can easily affect other devices. In order to explore the mechanism of conducted electromagnetic interference interaction between devices under complex working conditions， three typical devices of DC / DC converter， DC / AC inverter and motor and its driver are studied. Firstly， the typical equipment is divided into different operating conditions according to the function. Then， the high frequency equivalent model of each equipment is established respectively， and the high frequency equivalent model of the system is established on this basis. According to different operating conditions， the electromagnetic interference interaction mechanism between equipment is studied respectively. It is found that the electromagnetic interference interaction between devices is not only reflected in the increase of interference sources， but also in the introduction of new conduction paths， which will cause new resonance problems. Finally， the simulation and experimental results show that the prediction results of the resonance peak amplitude of the simulation model based on the electromagnetic interference interaction mechanism between devices are within 5dBμV， and the model is in good agreement with the experimental results， which proves the correctness of the mechanism analysis and modeling.

Keywords： multi-electric aircraft system; electromagnetic interference between devices; high frequency equivalent model; equivalent interference source; DC power system; electromagnetic compatibility

0 引 "言

多電飛機系統采用270V高壓直流配電，具有線路損耗小、重量輕且無需考慮無功補償等優點[1-3]。但與此同時，大量功率開關器件和非線性大功率負載工作時會產生電流畸變和諧波等，造成嚴重的傳導電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）問題[4]。考慮到飛機重量要求，很多設備采用的EMI濾波器較小，這種情況下即使各臺設備的EMI在電磁兼容標準之下，組成系統時，整機仍然可能出現干擾超標的問題；甚至各設備自身的傳導電磁干擾特性發生改變，傳導EMI產生新的諧振峰，過高的EMI可能會對敏感設備產生影響，如武器系統誤發射、生命保障系統失效等，嚴重的EMI問題可能造成機毀人亡的事故[5-7]。因此，研究多電飛機系統設備間EMI交互作用機理具有重要的意義。

目前，學者對EMI機理分析和建模方法進行了廣泛的研究。文獻[8-10]針對常見DC/DC變換器拓撲，研究DC/DC變換器的傳導EMI機理，并對關鍵高頻參數進行建模提取。文獻[11-13]研究變換器中變壓器對傳導EMI的影響，提出了最小傳導電磁干擾下變壓器的設計原則。文獻[14]研究了逆變器的EMI問題，分析了逆變器在不同運行工況及不同負載下的EMI問題。文獻[15-17]研究了電機及其驅動系統的EMI問題，闡明了系統的干擾機理。建立了永磁同步電機、整流器和逆變器等的高頻等效模型，并使用阻抗網絡分析儀結合等效模型，擬合得到相關高頻寄生參數，將參數帶入仿真模型，仿真結果與實測結果符合度很高。文獻[18]以不間斷電源為例對多級變換器的EMI機理進行研究，分析了不同工況下不間斷電源中串接的逆變器和整流器的EMI問題。文獻[19]以陸地上兩臺逆變器為例，分析了運行和停機等工況中設備間EMI交互作用的機理，并提出采用散熱片浮地來抑制設備間的傳導電磁干擾的方法。文獻[20]以機載電力電子變換設備為研究對象，分析了對通信設備的干擾，并在實際系統中測試到了該影響，最后提出了加強屏蔽的改進措施。

綜上，現有研究主要是針對陸地單一供電設備的EMI機理和建模方法展開研究，很少涉及到多電飛機系統多設備間的傳導電磁干擾研究，缺乏相應系統級的傳導EMI機理分析和建模方法。因此，本文以多電飛機270V高壓直流配電系統中的DC/DC變換器、DC/AC逆變器和電機及其驅動器為研究對象，研究各設備在不同工況下的運行特點，分析各設備間的EMI交互作用機理。對各典型設備進行建模，提取各設備的高頻寄生參數，搭建多電飛機系統仿真模型，最后進行實驗驗證，仿真和實驗結果證明了理論分析的正確性。

1 多電飛機系統及各設備運行工況

1.1 多電飛機系統簡述

在圖1所示的多電飛機系統中，DC/AC逆變器通常與雷達設備相連，供油泵是典型的電機及其驅動器設備，DC/DC變換器將270V降成28V供航行燈使用，各設備分別經開關K1、K2和K3連接到270V直流母線。系統正常工作時，開關閉合，各設備掛載到直流母線上，稱為掛網；若開關斷開，各設備從系統中脫離，稱為脫網。這些設備在飛機正常飛行過程中并不是一直處于運行狀態，常常處于掛網停機狀態，掛網停機設備仍可能會對運行的設備產生干擾，因此研究設備間電磁干擾交互作用具有重要的意義。

1.2 各設備運行工況

在圖1所示的多電飛機系統中，對單個掛網設備有運行和停機兩種工況，對整個系統有8種運行工況，系統中各設備都停機時不存在干擾，其余7種工況如表1所示。

本文研究思路為：在斷路器K1、K2、K3閉合的前提下，先研究單個設備運行時EMI交互干擾情況，然后推廣到研究三個設備同時運行情況下的EMI交互干擾情況。

表1中所示工況可以分為二大類，第一類是系統中存在掛網停機設備，如：工況1、工況2、工況3、工況4、工況5和工況6；第二類是系統中不存在掛網停機設備，如：工況7。為充分說明系統中敏感設備與掛網停機設備和掛網運行設備之間不同的干擾交互作用機理，后文第3節分析將選取第一大類中的兩種工況4和工況2，第二大類工況只有一種，選取工況7，同大類工況中的其他工況分析方法相似。

2 典型設備電磁干擾建模

對圖1中展示的典型設備分別建立高頻干擾模型，最后將各個設備的高頻模型組合，得到系統級高頻干擾模型。典型設備中的關鍵元器件，如線纜、電感、電容、IGBT和變壓器等，采用對應的高頻模型建模，忽略匯流排等器件的高頻寄生效應。共模扼流圈雖然會在一定程度上抑制設備自身的傳導電磁干擾，但多個設備組成系統時，設備間的交互干擾作用會改變設備自身的傳導電磁干擾特性，為了更加清晰展示這種影響，考慮將共模扼流圈省略；此外，本文著重研究設備間電磁干擾交互作用機理，即分析交互干擾的干擾源和傳導路徑。共模扼流圈的作用是抑制電路中共模干擾，但不會改變干擾的基本傳導路徑，為簡化分析過程，將其省略，得到典型設備的EMI傳導路徑模型。電磁干擾源的建模是基于等效替代原理，具體方法是將橋臂下管以及附屬支路用等效的電壓源來代替[21]。

2.1 DC/DC變換器模型

將實際存在的如線纜寄生參數、母線電容寄生參數、變壓器寄生參數和濾波器寄生參數等高頻參數納入到模型中，得到的獨立運行的DC/DC變換器高頻電磁干擾模型，如圖2所示。在實際系統中，不同器件寄生參數的數量級往往相差較大，根據參考文獻[22]，對部分寄生參數進行忽略處理，得到DC/DC變換器高頻簡化模型，如圖3所示。

圖2中：ZGRID是兩個LISN的共模（common mode，CM）阻抗、LDCcab1為輸入線路電感，DC/DC直流斬波器的橋臂上管的集電極對地電容為CC1、橋臂下管的發射極對地電容為CE1、橋臂中點對地電容為CO1，Zc1為變壓器耦合阻抗、ZT1為變壓器繞組阻抗、CD1為整流二極管對地電容、ZDCfilt1為濾波器等效阻抗、LDCcab11為輸出線路電感、ZDCload為負載等效阻抗。

由圖3所示的高頻簡化模型可以得到DC/DC變換器等效電路模型，如圖4所示，根據等效電路可以推導出DC/DC變換器獨立運行時直流側的CM電流，如式（1）。

式（1）中：ZDCLcab1為輸入線路阻抗、ZDCCcab1為輸入線路對地阻抗、DC/DC直流斬波器的橋臂上管的集電極對地阻抗為ZC1、橋臂下管的發射極對地阻抗為ZE1、橋臂中點對地阻抗為ZO1、ZD1為整流二極管對地阻抗、ZDCcab11為輸出線路阻抗。

； （1）

。 （2）

2.2 電機及其驅動器模型

圖5為獨立運行的電機及其驅動器的高頻電磁干擾模型，其大多數器件的高頻參數建模與上文DC/DC變換器相同，不再贅述。參考文獻[23]，建立永磁同步電機高頻模型，對電路中的部分寄生參數進行忽略處理，得到圖6所示的高頻簡化模型。

圖5中：LDCcab2為輸入線路電感、電機驅動器內部為三個IGBT橋臂，其中每個橋臂上管的集電極對地電容CC2、橋臂下管的發射極對地電容CE2、橋臂中點對地電容為CO2、LACcab2為輸出線路電感。

由圖6所示的高頻簡化模型可以得到電機及其驅動器等效電路，由圖7所示，根據等效電路可以推導出電機及其驅動器獨立運行時直流側的CM電流，如式（3）。

圖7 "獨立運行的電機及其驅動器等效電路模型

Fig. 7 "Equivalent circuit model of independent motor and its driver

式（3）中：ZDCLcab2為輸入線路阻抗、ZDCCcab2為輸入線路對地阻抗、電機驅動器中每個橋臂上管的集電極對地阻抗為ZC2、橋臂下管的發射極對地阻抗為ZE2、橋臂中點對地阻抗為ZO2、ZACcab2為輸出線路阻抗、ZPMSM為永磁同步電機等效阻抗。

； （3）

。 （4）

2.3 DC/AC逆變器模型

圖8和圖9分別為獨立運行的DC/AC變換器的高頻電磁干擾模型和高頻簡化模型。

圖9中，LDCcab3為輸入線路電感、DC/AC逆變器內部為兩個IGBT橋臂，其中各個橋臂上管的集電極對地電容為CC3、橋臂下管的發射極對地電容為CE3、橋臂中點對地電容為CO3、Zc3為變壓器耦合阻抗、ZT3為變壓器繞組阻抗、ZACfilt3為濾波器等效阻抗、LACcab3為輸出線路電感、ZAC3為負載等效阻抗。

由圖9所示的高頻簡化模型可以得到圖10所示的DC/AC逆變器等效電路，根據等效電路可以推導出DC/AC逆變器獨立運行時直流側的CM電流，如式（5）：

式（5）中：ZDCLcab3為輸入線路阻抗、ZDCCcab3為輸入線路對地阻抗、DC/AC逆變器中單個橋臂上管的集電極對地阻抗為ZC3、橋臂下管的發射極對地阻抗為ZE3、橋臂中點對地阻抗為ZO3、ZACcab3為輸出線路電感。

； （5）

。 （6）

2.4 系統級電磁干擾模型

將各設備獨立運行時的高頻簡化模型組合，得到本文研究的多電飛機系統的高頻簡化模型，如圖11所示。

3 多電飛機系統設備間電磁干擾交互作用機理分析

3.1 工況4

首先，對圖12所示的高頻簡化模型進一步處理，得到工況4的系統等效電路模型，如圖13所示。由圖13可知，DC/DC變換器的干擾電流傳導路徑受電機及其驅動器和DC/AC逆變器的影響。電機及其驅動器和DC/AC逆變器停機，自身對外不會產生干擾，但由于設備掛載在270V直流母線上，設備中的IGBT橋臂會為DC/DC變換器的干擾電流形成新的傳導路徑。具體為IGBT橋臂上管對地電容3CC2和2CC3、IGBT橋臂下管對地電容3CE2和2CE3、以及線路電感LDCcab2/2和LDCcab3/2等。為研究方便，將新增加的傳導路徑進行合并，則新路徑的阻抗為：

。 （7）

式中：ZBUS2=3ZC2+3ZE2+2ZDCCcab2、ZBUS3=2ZC3+ 2ZE3+2ZDCCcab3。

此時的CM電流 可以表示為式（8）。對比式（3）和式（8），掛網停機的電機及其驅動器和DC/AC變換器改變了DC/DC變換器傳導電磁干擾路徑。結合圖12和圖13對式（8）進行分析，可知新傳導路徑中的LDCcab2/2、LDCcab3/2、CE2、CE3、CC2和CC3等一般都很小。低頻段，ZDC2，3主要表現為較大的感性阻抗，由于ZDC2，3與LISN阻抗ZGRID并聯，考慮到ZGRID僅為25Ω，故新增加的干擾路徑不會對DC/DC變換器的傳導電磁干擾產生明顯影響。只有隨著頻率增加，新增加傳導路徑的阻抗ZDC2，3接近25Ω時，才會對DC/DC變換器的傳導電磁干擾產生較為明顯的影響。當頻率較高時，考慮到變壓器影響，Zc1+ZT1會是一個較大的值，故受交流輸出側影響較小，而CDCcab11、CIGBT1和CO1等相對較小，新傳導路徑ZDC2，3會加重傳導干擾。

。（8）

圖14為DC/DC變換器在工況4與獨立運行時的傳導干擾對比仿真波形圖，由圖可知，整個頻段內工況4時的干擾幅值和獨立運行時的干擾幅值差異不同，低頻段幅值差異相對較小，干擾曲線幾乎重合；高頻段差異相對明顯，最大差異可達8dBμV。

3.2 工況2

參考工況4的分析過程，對圖15所示的高頻簡化模型進行處理，得到工況2的系統等效電路模型，如圖16所示。新增加的傳導路徑具體為DC/DC變換器和DC/AC變換器中橋臂上管對地電容CC1和2CC3、橋臂下管對地電容CE1和2CE3、以及線路寄生電感LDCcab1/2和LDCcab3/2。為了研究方便，將新增加的傳導路徑進行合并，則新路徑的阻抗為：

。 （9）

式中：ZBUS1=ZC1+ZE1+2ZDCCcab1、ZBUS3=2ZC3+ 2ZE3+2ZDCCcab3。

此時的CM電流 可以表示為式（10）。與工況4同理，對比式（5）和（10），發現掛網停機的DC/DC變換器和DC/AC變換器改變了電機及其驅動器傳導電磁干擾路徑。結合圖15和圖16對公式（10）進行分析，可知新的傳導路徑中的LDCcab1/2、LDCcab3/2、CE1、CE3、CC1和CC3等一般都很小。在低頻段，ZDC1，3主要表現為較大的感性阻抗，由于ZDC1，3與LISN阻抗ZGRID并聯，考慮到ZGRID僅為25Ω，故新增加的干擾路徑不會對DC/DC變換器的傳導電磁干擾產生明顯影響。只有隨著頻率增加，新增加傳導路徑的阻抗ZDC1，3接近25Ω時，才會對DC/DC變換器的傳導電磁干擾產生較為明顯的影響。

圖17為電機及其驅動器在工況2與獨立運行時的傳導干擾對比仿真波形圖，由圖可知，整個頻段內工況2時的干擾幅值比獨立運行時的干擾幅值要高，但各個頻段的幅值差異不同，低頻段幅值差異相對較小，高頻段差異明顯。

3.3 工況7

參考上述分析過程，對圖18所示的高頻簡化模型進行處理，得到工況7的系統等效電路模型，如圖19所示。對圖19所示的等效電路模型進一步分析，分別計算DC/DC變換器、電機及其驅動器、DC/AC逆變器在DC/DC變換器直流側產生的CM電流，然后運用疊加定理得到總的CM電流為：

。 " "（11）

工況7系統的等效電路較為復雜，直接分析困難，可以對無干擾源作用的設備簡化，得到該設備總的阻抗。其計算結果如下：

； （12）

；（13）

； （14）

。 （15）

上式中：Z1、Z2和Z3分別為DC/DC變換器、電機及其驅動器和DC/AC逆變器等效CM阻抗； 、 和 分別為僅考慮DC/DC變換器干擾源VCM1、電機及其驅動器干擾源VCM2和DC/AC逆變器干擾源VCM3時在DC/DC變換器輸入側產生的干擾電流。

相比工況4，工況7中掛網運行的DC/AC變換器和電機及其驅動器對DC/DC變換器的影響主要體現在如下兩個方面：

1）DC/DC變換器的干擾電流傳導路徑變得更加復雜。分析DC/DC變換器中干擾源VCM1影響時，令VCM2和VCM3為0，得到圖20（a）所示的等效電路模型。對比工況4時的圖13，工況7中運行的DC/AC逆變器和電機及其驅動器會額外引入CO2、CO3、變壓器等效阻抗Zc3+ZT3、以及ZPMSM等。由于ZGRID為25Ω，當頻率較低時，Z2和Z3的阻抗會遠大于25Ω，此時起主要作用的是ZGRID，Z2和Z3的影響較小。當頻率較高時，Z2和Z3的并聯阻抗接近或小于25Ω時，Z2和Z3才會對 產生明顯影響，由于Z2中包含永磁同步電機等效阻抗ZPMSM，永磁同步電機是一個復雜的干擾系統，因此高頻時干擾情況復雜。

2）干擾源VCM2和VCM3會在DC/DC變換器的直流側產生干擾電流。分析干擾源VCM2影響，令VCM1和VCM3為0，得到圖20（b）所示的等效電路模型。由圖可知，干擾源VCM2的影響范圍包括DC/DC變換器，會在DC/DC變換器的直流側產生大小為的 干擾，從而對DC/DC變換器產生影響。

同理，干擾源VCM3也會在DC/DC變換直流側產生大小為 的干擾。 和 對DC/DC變換器的具體影響將由其大小決定：若 或者 ，此時，DC/DC變換器自身產生的干擾為主要干擾，干擾源VCM2和VCM3產生的干擾將不會嚴重影響到DC/DC變換器；若 或者 ，此時，干擾源VCM2和VCM3產生的干擾都大于DC/DC變換器自身產生的干擾，則干擾源VCM2和VCM3產生的干擾將會嚴重影響到DC/DC變換器，影響程度視 和 大小而定；若 或者 ，此時，干擾源VCM2和VCM3產生的干擾至少有一個大于DC/DC變換器自身產生的干擾，則干擾源VCM2和VCM3產生的干擾將會影響到DC/DC變換器，影響程度視 和 大小而定。

綜上，從干擾傳導路徑和干擾源兩個部分，對工況7的電磁干擾交互作用機理進行分析。相比工況2和工況4中掛網停機設備，工況7中掛網運行設備，除了仍然會引入新的傳導路徑外，還會引入新的干擾源，新引入的干擾源對于DC/DC變換器的影響將由 、 和 大小確定。

圖21為工況7與各設備單獨運行時的傳導干擾對比仿真波形圖，由圖可知，工況7整系統運行時的干擾波形并非各設備獨立運行時波形的簡單累加，0.1～2.8MHz頻段總的干擾波形與PMSM單獨運行的干擾波形較為形似，也即在此頻段內電機及其驅動器是主要的干擾源；2.8MHz以后總的干擾波形近似為在DC/DC單獨運行時波形為基波基礎上的疊加，即此時系統受DC/DC變換器干擾影響較大。此外，在8MHz頻率附近出現了幅值為68dBμV的諧振尖峰，這是由于干擾傳導路徑改變造成共模阻抗的改變，進而引發新的諧振尖峰，仿真結果驗證了上述機理分析過程的合理性，進而證明了本文提出的關于多電飛機系統設備間交互電磁干擾作用機理分析的正確性。

4 實驗驗證

多電飛機系統實驗平臺如圖22所示，主要包含DC/DC變換器、DC/AC逆變器、電機及其驅動器、LISN、頻譜分析儀和斷路器箱等。實驗中270V直流電經同步發電機整流濾波產生，且實驗過程中電壓保持穩定。

使用阻抗分析儀對各設備的母線電容、IGBT對地電容和線纜阻抗等參數進行測量，可以得到相關設備的阻抗特性曲線，參考[22]和[23]等文獻的寄生參數提取方法，再使用最小二乘法進行曲線擬合，即得到各設備的高頻等效參數如表2所示。

圖23為系統各設備同時運行與各設備單獨運行時的傳導干擾對比波形圖，由圖可知，系統各設備同時運行時的干擾波形并非各設備獨立運行時波形的簡單累加，在低于3MHz頻率時，系統總的干擾波形與PMSM單獨運行的干擾波形較為形似，也即在此頻段系統受電機及其驅動器干擾影響較大；高于3MHz頻率時的波形變化較為復雜，首先，受各設備間干擾交互作用影響，整系統運行時的諧振頻率相較各設備單獨運行時的諧振頻率會降低；其次，整系統運行時的諧振幅值相較各設備單獨運行時的諧振幅值會提高，且在8MHz頻率附近出現幅值為64dBμV的新諧振尖峰。

上述現象主要是因為設備間的高頻寄生參數相互影響，改變各設備的傳導干擾路徑，進而改變系統的傳導干擾電流。0.1MHz～3MHz頻段的干擾變化趨勢以及8MHz頻率附近新產生的諧振尖峰預測誤差僅為4dBμV等皆表明，實驗結果與仿真結果相吻合，驗證了多電飛機系統電磁干擾建模的合理性和正確性，進而證明了本文提出的關于多電飛機系統設備間交互電磁干擾作用機理分析的正確性。

5 結論

本文針對多電飛機系統中的DC/DC變換器、DC/AC逆變器和電機及其驅動器三種典型設備，從干擾源和干擾傳導路徑角度，分析了掛網運行與停機等復雜工況下各設備間的EMI交互作用機理。最后，通過仿真和實驗，驗證了機理分析的正確性。本文得出以下結論：

1）多電飛機系統各設備間傳導電磁干擾交互作用嚴重，掛網中的設備不再是孤立的運行單元，設備中的高頻干擾源除影響自身外，還會對系統中的其他設備產生影響。仿真和實驗皆表明，掛網運行的電機及其驅動器會在0.1MHz～3MHz頻段產生較嚴重干擾。因此，對敏感設備的傳導電磁干擾分析應充分考慮系統中其他設備的高頻干擾源影響，尤其是考慮電機及其驅動器設備的影響。

2）設備間的電磁干擾交互作用既體現在干擾源的增加，又體現在新傳導路徑的引入，新引入的傳導路徑通常在不同頻段展現出不同的特性，進一步使設備的傳導EMI問題復雜化，最重要的是新傳導路徑造成共模阻抗的改變，進而引發文中模型所示出現在8MHz頻率附近新的諧振尖峰。為此，從干擾傳導路徑角度考慮可以采取如散熱片浮地等措施來抑制設備間的電磁干擾交互作用問題。

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（編輯：劉素菊）