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电力电子系统中数字控制器EMC设计

冯利民  
【摘要】: 电力电子系统的电磁兼容技术受到了广泛的关注。目前的研究成果主要集中于功率电路的传导EMI的产生、传播机理方面,对复杂的电力电子系统中日益广泛应用的数字控制器的EMC设计技术却鲜有提及。然而,电力电子系统中数字控制器的EMS性能会严重影响电力电子系统的可靠性。为了在产品成型之前就能对其EMC性能作出良好的设计,以缩短整体的设计周期、降低后期EMC整改费用、降低总体成本,必须对其数字控制器的EMC性能作出科学的设计。基于此,本文综述了目前EMC领域的相关技术,结合本课题组的研究成果,针对电力电子系统内部数字控制器的传导和辐射EMC设计技术和EMC故障诊断技术作了尝试性的探讨。 论文首先从电力电子系统的干扰源及其阻抗特性谈起,分析它通过辅助电源、I/O口对数字电路进行干扰的耦合机理,从而探讨其对应的抑制方法。传导EMC的问题主要通过在传播路径上设置障碍或者进行疏导的方法来解决,因此改进辅助电源的滤波器和隔离变压器是主要手段。不仅如此,对I/O接口与数字电路去耦也是解决I/O接口耦合噪声的途径。由于数字电路的供电电源EMS是关键之一,它的去耦问题应得到足够重视。本文深入探讨了这个问题,并且发现它不光能提高系统的传导EMS性能,还能降低辐射EMI电平和提高辐射EMS性能。 辐射EMC,尤其是其建模的研究一直进展比较缓慢。本文通过实验数据检验了目前已有的几种辐射模型,发现它们并不能解释所有测试中出现的现象。因此本文基于简单电路的辐射模型推导了数字电路的低频和高频辐射模型,其中高频模型和已有成果吻合,低频模型和过去的成果不太相符但和实验数据相对接近。基于这些模型,探讨了降低信号频率和共模信号电流等几种降低数字控制器辐射EMI的手段,对它们的实际效果进行了实验验证并且总结出实践中更方便实施的方法。 辐射EMS尤其是系统由于近场耦合导致的内部串扰问题,是电力电子系统EMC问题区别于普通电子系统EMC问题的原因之一。本文借鉴均匀辐射场中的数字电路辐射EMS模型,探讨了近场耦合的模型,并且讨论了结合数值算法的近场耦合建模的一般步骤,并且用实验数据验证了其有效性。以模型为指导,本文总结了提高数字电路辐射EMS水平的实际的设计方法,对电力电子系统数字控制器的辐射EMC设计起到有针对性的指导作用。 为了探索故障的定位和预判解决方法的实际效果,本文还介绍了使用近场探头来进行EMC故障诊断的方法,结合电路的近场辐射模型,可以快速进行故障定位和场源特性的判断,从而可以有针对性地选择解决方案,这对于EMC设计来说具有重要的实用意义。


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