开关电源远场辐射干扰的产生机理研究

Nowadays the generation mechanisms of far-field radiated electromagnetic interference (EMI) from switching mode power supplies (SMPS) are unknown, and the systematic studies of the far-field radiated EMI issues of SMPS are lacking, therefore, it is very difficult to suppress the far-field radiated EMI from SMPS. In view of this, the project proceeds with the basic two scientific aspects of the far-field radiated EMI from SMPS, i.e, the antenna radiation principle and the generation mechanism of EMI sources. It attempts to discover the intrinsic mechanisms and the influence rules of the far-field EMI of SMPS, and explore the effective suppression techniques for far-field EMI from SMPS. The project proposes to build up antenna models for far-field radiation of SMPS based on three categories of radiated emissions, using simple physical antenna models to simulate the complex printed circuit board (PCB) constructions of SMPS, and thereby illustrate the far-field emission mechanisms. It presents a method to extract the parameters of the antenna models of SMPS by using transverse electromagnetic (TEM) cell measurements. Using full-wave numerical calculations, quantitative researches will be done to seek the influence rules of different construction designs of SMPS on the far-field radiated EMI performance. It builds up switching transient behavior models for power semi-conductor devices in SMPS, and investigates the influences of the switching transient behaviors of power devices and the parasitic oscillations of commutation circuits on characteristics of the EMI sources in SMPS. Finally, it proposes novel techniques for mitigation of the far-field EMI of SMPS by regulating and controlling the EMI source characteristics. This project provides basic theories for solving the far-field EMI from SMPS, and is also helpful for analyzing and solving the radiated EMI issues of high power converters.

鉴于目前对开关电源远场辐射干扰的形成机理尚不明确，缺乏对该问题的系统研究，导致了在产品开发过程中很难解决远场辐射干扰问题。本项目拟从开关电源的天线辐射原理和高频噪声源的形成机制两方面着手，试图揭示开关电源远场辐射干扰的产生机理和分布规律，探索开关电源远场辐射干扰的有效抑制技术。为此，本项目提出基于三种辐射激励模式，建立开关电源的天线模型，并用简单的物理模型模拟开关电源的复杂PCB结构；采用横电磁波小室测量方法提取开关电源天线模型参数，并通过全波电磁场数值计算，分析开关电源不同结构设计对远场辐射干扰性能的影响；建立开关电源功率器件的开关瞬态行为模型，定量研究功率器件的开关瞬态行为和换流回路寄生振荡对电磁干扰噪声源特性的影响，并提出基于噪声源调控的开关电源远场辐射干扰抑制技术。项目研究成果为解决开关电源远场辐射干扰难题提供了理论基础，对于分析和解决大功率变流器的辐射干扰问题也具有参考意义。

本项目研究了开关电源远场辐射电磁干扰（EMI）噪声的产生机制、耦合机理、以及抑制技术，鉴于共模电流是导致开关电源及相关电力电子系统产生电磁辐射的根源，重点研究了共模电流的建模及抑制技术，可用于指导产品开发过程中的电磁兼容性（EMC）设计，为解决开关电源、电力电子装置及相关电气设备的EMC问题提供了新的思路和方法。通过研究，建立了反激式开关电源的共模电流高频模型，对反激电路中共模电流的产生和时域波形的分布进行了分析，为不同频段EMI噪声源的鉴别提供了依据；利用器件参数化特征建模方法建立了MOSFET模型，同时利用阻抗测试结合数值仿真的方法建立了线缆模型，在此基础上建立了开关电源的EMI时域电路仿真模型，进一步将线缆上的共模电流作为辐射激励源，实现开关电源“场路协同”的辐射仿真，提出了一种连接线缆的开关电源远场辐射预测方法；针对反激电源中变压器绕组屏蔽结构对共模电流的影响展开了研究，阐明了变压器的屏蔽绕组结构和屏蔽层结构对共模等效电容的影响规律，提出了基于变压器屏蔽层和屏蔽绕组优化设计的反激式开关电源共模噪声抑制技术；阐释了反激开关电源PCB 受到电场干扰和磁场干扰的耦合原理，建立了电场辐射的等效电路模型、磁场辐射的等效磁路模型，提出了一种电场干扰屏蔽方法，可同时对高低频段的电场干扰进行有效抑制；提出了一种基于在线测试的共模阻抗建模方法，通过测量提取共模电压和共模电流的时域波形并实施离散傅里叶计算，建立了能反映系统在线运行状态下共模干扰特性的阻抗模型，为开关电源和电力电子系统的共模电流精准预测提供了有效的方法和手段；本项目还研究了电机驱动系统内部主功率回路对开关电源和通讯数据线的共模干扰耦合评估及分析方法，为电力电子系统级的远场辐射干扰预测及电磁兼容优化设计提供了理论依据。在本项目资助下，已发表论文23篇，其中SCI收录论文 11篇， EI收录论文9篇，国内一级刊物或核心刊物3篇；获授权发明专利4件。