前言：本站為你精心整理了簡析輻射電磁干擾建模的研究現狀范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

隨著艦船電力電子設備的日益復雜和頻段的不斷攀高，輻射電磁干擾的建模、互聯導線的輻射電磁場研究、非周期暫態工作模式的電磁兼容研究、傳導與輻射干擾對消技術等內容越來越成為艦船EMC/EMI研究的熱點。

1電磁干擾作用機理與建模

電磁干擾的本質是由電磁場和電磁波的傳導或輻射引起的副作用，但對于電力系統而言，電磁干擾是與其結構、工藝、布線等諸多因素相關的復雜電磁現象，目前主要借助于建立在測試基礎上的干擾模型對機理進行分析和深入研究，進而研究影響電磁干擾的主要因素，從而為電磁兼容性的理論分析和電磁干擾抑制技術研究奠定基礎。許多文獻都論述了電力系統中多種電力電子裝置電磁干擾的產生與傳播機理：Zhang等［3］較早研究了開關電源地電流引起非本質差模（DM）干擾的產生及其傳導機理，并進一步給出了該非本質差模干擾濾波器的設計和抑制方法［4］；Klotz等［5］研究了IGBT的電磁干擾機理問題，深入分析了靜態工作點、結構、模塊封裝方式、門極電路、溫度和接地等因素對電磁干擾的影響；Chen［6］所提出的PWM變頻器電機驅動裝置的電磁干擾和軸承電流模型對指導變頻裝置后續的研究工作有一定的指導意義。這些研究大多是針對具體裝置并結合實驗而進行的定性分析，有助于對干擾源的定位和干擾形成機理的認識。

1.1傳導電磁干擾建模與預測當前，電力系統傳導電磁干擾建模與預測工作大量體現在開關電源、PWM變頻驅動裝置和半導體功率器件的建模研究中。

1.1.1開關電源傳導干擾研究Nave［7］于1986年建立了開關電源差模和共模（CM）干擾的電路模型，并對其干擾進行了計算，所提出的模型主要針對干擾作用機理分析。法國LED電磁兼容實驗室的Roudet和德國ABB公司的Scheich分別對SCR全橋整流電路在低頻諧波段的差模干擾和功率開關電路的共模干擾進行了預測研究［8］。Revol等［9］采用電路瞬態分析方法計算了非連續導通模式下二極管整流橋在LISN上產生的干擾。20世紀90年代后期，信息技術的發展對電能管理和可靠性提出了更高的要求，分布式電力系統在艦船領域的廣泛應用使得功率因素校正電路的電磁干擾預測成為熱點。Crebier等［10］將PWM調制信號作為干擾源，對一種功率因素校正電路的拓撲進行等效并計算了干擾包絡。諸如此類的研究文獻一般是將開關器件的開關特性視為理想化的通斷過程，為避免理論計算的復雜性，往往忽略了電路的高頻寄生參數，所建立的模型僅適用于低頻干擾分析。為提高電磁干擾預測的精度，學者們開始借助專業的測量儀器和專業的電磁場分析軟件對電路的寄生參數進行抽取，以求建立更為精確的電路模型。Teulings等［11-13］率先采用部分單元等效電路（PEEC）方法建立一個400W的直流斬波器的高頻模型，利用InCa軟件計算出每一單元的寄生電感和電阻，然后利用Wheeker/Schneider方程計算每個節點單元的寄生電容，最后得到整個電路的電路模型，代入Pspice中進行頻域仿真得到干擾，其研究具有較大的開拓意義，但遺憾的是沒有建立干擾源（功率器件）模型，而是采用近似的梯形波。Zhang［14］采用與Teulings相同的參數獲取方法對反激式開關電源的電磁干擾進行了建模預測，開關器件直接利用Saber的庫元件進行時域仿真。Zhang［15］在對功率因素校正電路進行EMI計算時，采用InCa軟件和基于有限元（FEA）方法的AnsoftMaxwellQ3D軟件對PCB板寄生電感和寄生電容參數進行抽取，得到等效電路后再用Saber軟件進行時域仿真，經過FFT求解得到了干擾的包絡線，仿真結果與實驗結果吻合很好。對于開關電源傳導干擾研究，學者們的主要思路是借助專業的測量儀器和電磁場分析軟件對電路的寄生參數進行抽取，得到相對精確的分立模型，組合后再進行復雜電路的時域瞬態計算和電磁干擾分析，究其原因是由于純粹的解析模型對干擾動態特性的描述相當困難，目前僅能進行傳導干擾的機理分析。

1.1.2PWM變頻驅動裝置電磁干擾研究隨著高壓、大容量的交流PWM變頻驅動逐步取代傳統的直流驅動方式，PWM變頻驅動裝置的電磁干擾特性研究逐步深入。Ran等［16］在Saber軟件中建立了適于PWM變頻驅動的時域仿真系統模型，并據此得到了3種主導模式下簡化的電路模型，通過時域和頻域方法驗證了傳導干擾分析的正確性。Chen［6］自20世紀90年代后期開始研究電動牽引機車驅動裝置的傳導電磁干擾問題，提出了用電壓源替換開關器件的建模方法，用二端口網絡的S傳遞函數描述傳播特性的方法都頗具創新性。與此同時，為適應復雜系統電磁干擾預測的需要，高頻寄生參數測試方法也有新的進展。由于用傳統的參數抽取方法，如FEA和PEEC在處理由大功率集成模塊、大尺寸連接電纜和DC母線等組成的逆變器電路時相當困難，Zhu等［17］提出了基于時域反射原理（TDR）的建模方法，該方法對電路描述的復雜程度較FEA和PEEC大大降低，便于建立導線和公共母線排的分布參數模型，抽取功率集成模塊內部器件連接導線的寄生電感等，且該方法分別在ZVT軟開關逆變器和永磁電機驅動系統裝置電磁干擾預測研究中取得了較好的實際應用效果。上述研究有助于對PWM變頻裝置傳導干擾源和干擾耦合通道的定位，并確定主要研究參數，但其缺點是主要是通過費時的時域仿真來實現對PWM開關的處理，同時也沒有涉及PWM調制模式的影響。因此，為了提高系統級的電磁干擾預測的精度和速度，有必要研究一種不依賴時域仿真的PWM逆變器電磁干擾計算方法［18-19］。

1.1.3半導體功率器件的建模許多電路仿真軟件，如Pspice和Saber，其元件庫中的半導體功率器件（二極管、MOSFET和IGBT等）模型沒有定義器件開關的瞬態電壓/電流特性，因此在EMI仿真計算中無法模擬瞬態開關特性。為彌補上述缺陷，有助于理解器件工作機理和進行結構優化，不少文獻也給出了精確模擬器件特性的模型描述。Hefner等［20-22］建立的IGBT模型是最早適合電路仿真的一維數學模型和電荷控制模型，其用電感電壓的上升特性來模擬由空間電荷層（SCL）邊緣快速擴散引起的準靜態效應（NQS），同時還考慮了影響動態特性的非線性電容以及正向導通電壓和基區導電率的調制特性，使得模型可代入綜合性的電路仿真軟件，如Saber中進行仿真，進而得到精確的干擾仿真計算頻譜。Laboure等［23］針對EMI預測建立了半精確的二極管和IGBT模型，該類模型的一部分基于精確的解析模型，另外一部分是結合仿真軟件中的子電路實現，同時考慮了電荷貯存的動態特性和寄生容性影響的靜態特性，用電壓控制電流源描述二極管的反向恢復電流效應和IGBT的拖尾特性。Ma等［24-25］則從半導體器件物理出發得到了二極管與SCR，GTO，MOSFET，IGBT等功率器件的半精確模型，從結構上將半導體器件分成幾個特殊區域，采用集中電荷方法對充電結點進行了物理和電路分析，根據電流密度方程、PN結方程、泊松方程等最后得到器件的模型，該模型進一步擴寬了功率器件的干擾模型建立，但也存在小信號模型不適宜大功率電路仿真的缺點。Azar等［26］在Pspice下建立了大功率非線性電路仿真專用的IGBT模型?？紤]到過于復雜的功率器件模型易導致仿真結果不收斂，Nienhaus和Collantes等［27-28］進一步建立了大功率MOSFET高頻電路模型來改善這一狀況。這種簡化的模型屬經驗宏模型，最大優點是可直接應用于Saber軟件進行仿真，模型的參數直接來源于器件生產廠家提供的參數手冊，其高頻響應也足以令人滿意。袁義生［29］提出用改進的集總電荷模型描述PIN二極管的動態和靜態特性，用基于小信號LDMOS內核建立了功率VDMMOSFET的高頻模型。總之，在分析電力系統電力電子器件的傳導干擾方面，基于半導體物理特性而建立的解析模型較復雜且計算量大，而仿真模型則過于依賴專業的軟件環境，通用性不強。對傳導干擾預測而言，基于器件的高頻等效電路建立開關行為模型，研究開關瞬態電壓和電流特性是一種可行的改進方向，該方法不僅降低了復雜性，且可保證干擾預測的精確度［30］。

1.2輻射電磁干擾建模研究

輻射干擾是更復雜的電磁場問題，須根據電路的不同特性和導體不同的幾何結構來建立不同的模型，目前，還沒有文獻給出較寬頻率范圍內輻射電磁干擾的精確建模和求解方法。Youssef等［31-32］對小尺寸的Buck電路在30~100MHz范圍內的近場輻射干擾機理進行了研究，其采用磁矢位（magneticvectorpotential）公式進行計算，并用磁場探頭對電路上方一定高度的磁場進行測量而求出輻射分布，但由于簡化因素較多，該建模所能預測的干擾頻帶寬度非常有限，不適用于較高的頻率。Joshi等［33］在忽略輻射源的輻射延遲效應和假定電力電子裝置輻射頻率較低的條件下，對系統內的近場輻射采用偶極子疊加方式計算，對系統外近場則將開關器件視為電偶極子，將電感視為磁耦合極子進行計算，得到了較為精確的輻射干擾模型。Cristina等［34］分析了不同負載狀態近場的變化，指出負載大小決定了近場輻射的性質；Igarashi等［35］研究了一個半橋式電路的開關過程，指出功率器件的輸出電容與電路中寄生電感之間的振蕩電流是產生輻射干擾的機理之一；Felic等［36］討論了散熱器對開關電源電路輻射干擾的影響。從輻射干擾的研究文獻看，大多是針對布線簡單的電路和相對規則的研究對象，頻率還限于近場范圍，主要分析由高頻環路電流引起的輻射問題，對于其他的輻射源及機理研究還未見有公開。

2電磁干擾抑制方法研究

電力電子裝置電磁干擾機理的研究主要是為干擾抑制方法奠定基礎，國內外研究人員對此做了大量工作。一般抑制干擾的主要機理是從抑制干擾源和阻斷干擾傳播路徑兩方面入手，針對不同的研究對象，提出了許多頗具效果的電磁干擾抑制方法。

2.1開關電源的干擾對消抑制技術Wu等［37-38］率先提出了共模電流平衡的觀點來消除開關電源變換器的共模干擾。該思想的原理是，在Boost濾波電感上增加一個匝數比為1∶1的反相繞組接在附加MOSFET上，并與主電路MOSFET一起安裝在散熱器上，使得共模電流在兩個MOSFET與散熱器之間互相抵消，從而抑制電網側的共模干擾。Cochrane等［39-40］在此基礎上提出了改進思路，即在開關電源中的隔離輸出變壓器上增加一路與初級繞組反相的補償繞組和一個等效電容，將共模干擾控制在裝置內部，并在多種DC-DC變換器和三相逆變器中進行了校驗。Shoyama和Crosato等［41-42］闡述了類似的對消思想方法，并在各種DC-DC變換器中進行了應用；Li等［43］提出了在變換器中設置反相有源嵌位技術的共模干擾抑制方法。干擾對消抑制技術的主要缺點是增加了電路的重量和體積，變壓器在高頻時的隔離問題也比較難解決。

2.2逆變器干擾抑制技術變頻驅動系統中的PWM逆變器在輸出三相中點存在共模電壓，同時存在漏電流和軸承電流而形成共模干擾，嚴重干擾電網并制約了電機的工作壽命。控制逆變器產生的共模干擾一般采用阻斷干擾傳播路徑，即設計濾波器的方法，通常有無源和有源兩種形式。除傳統的共模扼流圈、共模變壓器、線路電抗器及RCL無源濾波網絡外，最近有文獻提出，采用將DC鏈中點引入輸出無源濾波器中點的方法可以大大降低逆變器輸出側dv/dt，減小共模干擾。Ogasawara等［44］從1997年開始研究共模干擾有源消除器（ACC）的設計，其思想是通過在逆變器輸出側的對稱Y電容對共模電壓進行取樣，經過兩級射極跟隨器產生補償信號由共模變壓器反相后對共模干擾進行補償。Takahashi等［45］提出了一種采用電流注入型濾波器來消除電機的漏電流的方法，其實質是通過引入漏電流的負反饋，經過共模變壓器在電網側進行補償以消除共模干擾。Julian等［46-47］提出的三相四橋臂結構的逆變器和六橋臂結構的逆變器利用對稱性可以消除共模電壓，證明了在四橋臂結構中結合適當的矢量控制策略可減小50%的共模電壓干擾。VonJouanne等［48］提出在雙逆變器驅動的雙繞組電機系統中，通過對稱觸發技術可以有效降低共模電壓。Mutoh等［49-50］通過研究集成功率模塊的封裝技術和多層PCB的設計技術來控制變頻電機驅動系統產生的電磁干擾，通過在4層PCB板中對稱布置正、負母線結構來消除直流側電容的差模電流，通過在主要干擾耦合點與地之間串入電阻來抑制共模電流高頻諧振，從而減小主要諧振頻率點的干擾峰值。以上對于干擾抑制的研究主要采用的是試探比對的方法，通過實驗進行校驗。由于對抑制效果缺乏理論上的定量預測，因此提出的方法只能針對具體同類或某幾類裝置，不具備普適性和通用性。

2.3其它干擾抑制技術采用軟開關技術以減緩開關的電壓和電流的上升沿與下降沿，從而減小電磁干擾發射，其對干擾抑制的效果主要體現在1MHz以上的高頻段。功率開關器件的開關波形受門極驅動電壓和雜散參數的影響，因此延長開關的導通和關斷過渡時間可以降低高頻傳導干擾的等級。但同時開關時間的延長又會增大開關損耗，降低控制性能，因此在折衷考慮降低開關損耗的同時，要將電磁干擾發射控制在一定等級。近年來學者提出的載頻調制技術（CFM）、隨機調制技術（RPWM）、ΣΔ調制技術（SDM）和分散譜調制技術（SSM）等都可以達到減小由PWM調制過程產生的諧波干擾的目的；混沌PWM控制技術（CB-PWM）也可以對指定頻率點上集中的干擾能量進行擴散平均化處理。這些新技術的目標是改善諧波干擾分布，其本質是在時域對干擾脈沖進行位移處理以使干擾能量在頻域上平均分布，因而可大幅降低開關頻率的整數次諧波幅值，但同時會加重邊帶諧波含量。這些EMI抑制技術的主要局限性是難以在模擬控制電路中實現。電磁干擾抑制是一個綜合性、系統性的工程，對于艦船電力系統的各類電力電子裝置和敏感設備而言，通常在實際工程中同時使用多種方法：既通過內置濾波器減小干擾源的干擾發射，也通過屏蔽來切斷干擾傳播路徑，同時通過接地等措施減小敏感設備的受擾程度，還通過器件、引線等進行合理的結構布置，減小雜散參數的影響，降低干擾耦合度進而達到抑制電磁干擾、提高電磁兼容性的目的。

3結語

電磁兼容性問題經過100多年的發展，在電磁干擾的理論分析預測與干擾抑制的工程實踐方面都取得了長足的發展。艦船獨立平臺空間狹小、電力電子裝置和設備密集的特點決定了其電磁兼容性問題的突出性和復雜性，因此獲得了更多的研究和關注。當前，電磁兼容性工程設計和預測分析已成為艦船裝備發展的重要組成部分和影響裝備戰斗力與生命力的關鍵因素。各國學者針對艦船電磁兼容性方面的不同研究對象、不同頻段的干擾問題，在干擾測量、干擾傳播特性、干擾預測和干擾抑制等方面進行了大量、細致的研究，取得了一定成果。本文在簡述艦船電磁兼容研究范疇和內容的基礎上，針對構成艦船電力系統的主要電力電子設備，綜述了開關電源、變頻驅動裝置和功率器件等主要構件的傳導電磁干擾機理、建模預測及抑制方法，介紹了輻射干擾機理研究的新進展。盡管諸多研究都還存在欠普適性和一般性的問題，但為艦船電磁兼容性的進一步研究奠定了理論和方法基礎。由于電磁兼容性是一門正在發展的新興學科，同時艦船獨立移動平臺電磁干擾研究領域涉及面較廣，屬于多學科交叉的新領域，因此還有許多問題尚待進一步研究：1）在傳導干擾的定量預測方面有較大進展，但對于獨立拓撲和復雜空間結構的電力電子裝置，還缺少合理、定量和通用的描述方法。2）隨著艦船信息化、智能化步伐的加快，電力電子裝置的開關頻率越來越高，干擾頻段越來越寬，特別是對于非線性起主導作用的高頻干擾而言，其建模和預測研究需進一步深入。3）涵蓋100MHz~50GHz頻段內的輻射干擾機理理論分析和建模研究還需要有新的理論突破。4）當前的電磁干擾抑制方法仍然是建立在事后抑制的基礎上，因此建立艦船電磁兼容性設計的實時仿真模型，在設計階段充分考慮電磁干擾抑制問題將具有更加重大的意義。

作者：范昕單位：海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局