多開關并聯拓撲的傳導EMI耦合機理研究

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域的應用越來越廣泛，單只開關管往往無法滿足電流應力需求，多開關并聯拓撲作為一種經濟有效的擴容方式被廣泛采用。但基于多開關并聯技術的電力電子裝置，特別是當多開關并聯拓撲應用于大功率模塊時，由于其內部布局緊湊，空間有限，寄生參數較多，所以其電磁干擾問題尤為嚴重。

成果簡介

針對寄生參數對傳導干擾的影響，建立了多開關并聯拓撲的多噪聲源傳導干擾感性耦合模型，以及傳導干擾等效數學模型，從定量角度更精確地描述了多開關并聯支路間寄生電感在不同頻段下對傳導干擾的感性耦合作用，提出了不同頻段下寄生電感的強弱耦合理論，并為解耦電容的布局優(yōu)化設計提供了理論依據。

亮點提煉

(1)基于多開關并聯支路間寄生電感的感性耦合特性，建立了多開關并聯拓撲的多噪聲源電磁干擾感性耦合模型，分析了寄生電感對并聯多噪聲源的感性耦合作用。如圖1所示，由于各開關管之間寄生電感的耦合作用，越遠離直流母線端子的開關管，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5只開關管并聯時，雙脈沖電路中各開關管噪聲源的EMI頻譜圖

(2)建立了多開關并聯拓撲的傳導干擾感性耦合模型并給出定量化的等效數學模型，并根據不同頻段下的等效阻抗和等效電流變化情況，分析了并聯支路間寄生電感的強弱感性耦合機理。如圖2所示，隨著頻率的不斷增大，并聯支路間寄生電感對電路的感性耦合作用不斷增強，對傳導干擾的抑制效果越來越明顯。

圖2并聯開關管數目N=2, 3, 4, 5時，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并聯拓撲噪聲源小信號模型和差模傳導干擾數學等效模型，仿真分析發(fā)現，當解耦電容增大時，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解耦電容的位置越靠近開關支路時，差模傳導干擾的抑制效果越好。如圖3所示，當寄生電感靠近開關管A部分小于寄生電感遠離開關管B部分時，開關瞬態(tài)高頻振蕩的幅值在時域和頻域中均減小。

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

前景與應用

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并聯支路間寄生電感在不同頻段下對傳導干擾的感性耦合作用，為多噪聲源并聯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)化設計提供了理論依據。本研究工作可以為基于多開關并聯技術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計依據。

完成人與研究團隊介紹

西北工業(yè)大學電力電子技術團隊依托“飛機電推進技術工信部重點實驗室”，現有教授1人，副教授3人。研究團隊技術力量雄厚，承擔了大量國家重點型號工程項目的研究及機載設備和武器裝備的研制，積累了大量的工程實踐經驗，特別是在武器裝備功率變換器、機載二次電源變換器、飛機供電特性參數測試平臺等領域研究項目覆蓋諸多國家和國防重點型號任務，近三年國家級科研經費到款1200余萬，授權或公開國家發(fā)明專利10余項，發(fā)表高水平學術論文30余篇。