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功率变换器电磁干扰的建模

袁义生  
【摘要】: 本文主要致力于功率变换器电磁干扰(EMI)建模技术的研究,内容涉及到功率半导体器件、无源器件、PCB板的高频建模、功率变换器传导EMI和辐射EMI的建模各个方面,从而系统和深入地探讨和阐述了功率变换器EMI的问题及建模技术。 针对目前的功率半导体器件的高频模型不完善,无法用于传导EMI仿真的现状。本文对典型的两种功率半导体器件—少子器件PIN二极管和多子器件功率VDMOSFET,进行了深入地机理分析,提出了它们适合于EMI分析的高频模型。PIN二极管中主要的瞬态现象是正向电压恢复和反向电流恢复,本文采用集总电荷的方法描述了它的动、静态特性,提出了改进的集总电荷的PIN二极管高频模型,同时提出了改进的曲线拟合模型参数抽取方法,减少了所需的参数测量实验并提高了参数抽取的精度。功率MOSFET的开关动态特性主要受其极间非线性电容和外部工作条件的影响,在分析了功率MOSFET在开关过程中各极间电容变化的基础上,本文以小信号LDMOS为内核,提出了子电路形式的功率MOSFET高频模型,所有的模型参数也都可以利用产品数据曲线获得。 功率变换器的传导EMI以差模干扰和共模干扰两种模式存在,在对器件和PCB板高频建模的基础上,本文提出了建立差模干扰和共模干扰的精确的时域电路模型的方法和步骤。这两种干扰模式的干扰源,传播途径和频域特性都不一样,在对这些问题进行了分析的基础上,进而提出了两种干扰简化的时域电路模型和频域模型,为EMI干扰的定性和定量分析提供了理论基础。 在对共模干扰建模的基础上,提出了内在动态节点电位平衡的思想,其思路是通过在电路内部构造动态电位平衡节点对,并利用电路中功率器件固有的对地分布电容使得电路中的共模干扰电流互相抵消,从而抑制功率变换器的共模EMI。该思想可以成功地应用于Boost,Buck,Flyback和Forward多个电路拓扑中。 在功率变换器辐射EMI方面,系统地讨论了功率变换器各辐射源的特点,重点分析了共模电流和差模电流在电缆中的辐射模型,功率变换器中电缆与高频电流回路的辐射性能。


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