多开关并联拓扑的传导EMI耦合机理研究

多开关并联拓扑的传导EMI耦合机理研究

研究背景

随着电力电子装置在电动汽车、分布式能源以及航空航天等大功率领域的应用越来越广泛，单只开关管往往无法满足电流应力需求，多开关并联拓扑作为一种经济有效的扩容方式被广泛采用。但基于多开关并联技术的电力电子装置，特别是当多开关并联拓扑应用于大功率模块时，由于其内部布局紧凑，空间有限，寄生参数较多，所以其电磁干扰问题尤为严重。

成果简介

针对寄生参数对传导干扰的影响，建立了多开关并联拓扑的多噪声源传导干扰感性耦合模型，以及传导干扰等效数学模型，从定量角度更精确地描述了多开关并联支路间寄生电感在不同频段下对传导干扰的感性耦合作用，提出了不同频段下寄生电感的强弱耦合理论，并为解耦电容的布局优化设计提供了理论依据。

亮点提炼

(1) 基于多开关并联支路间寄生电感的感性耦合特性，建立了多开关并联拓扑的多噪声源电磁干扰感性耦合模型，分析了寄生电感对并联多噪声源的感性耦合作用。如图1所示，由于各开关管之间寄生电感的耦合作用，越远离直流母线端子的开关管，会引起幅值更大的高频振荡电压，其高频EMI噪声源频谱也会有更大的幅值，这充分反映了感性耦合理论对电磁干扰源的影响。

   图1 当5只开关管并联时，双脉冲电路中各开关管噪声源的EMI频谱图

(2) 建立了多开关并联拓扑的传导干扰感性耦合模型并给出定量化的等效数学模型，并根据不同频段下的等效阻抗和等效电流变化情况，分析了并联支路间寄生电感的强弱感性耦合机理。如图2所示，随着频率的不断增大，并联支路间寄生电感对电路的感性耦合作用不断增强，对传导干扰的抑制效果越来越明显。

图2 并联开关管数目N=2, 3, 4, 5时，共模电压Vcm(N)的噪声频谱图

(3) 建立了含解耦电容的多开关并联拓扑噪声源小信号模型和差模传导干扰数学等效模型，仿真分析发现，当解耦电容增大时，解耦电容会吸收更多的高频成分，噪声源频谱会降低，从理论角度证明了当解耦电容的位置越靠近开关支路时，差模传导干扰的抑制效果越好。如图3所示，当寄生电感靠近开关管A部分小于寄生电感远离开关管B部分时，开关瞬态高频振荡的幅值在时域和频域中均减小。

图3 寄生电感A部分和B部分比例为5nH:5nH, 1nH:9nH, 9nH:1nH时，开关管1的漏源极电压Vds1的频谱图

前景与应用 

与传统电磁干扰建模方法相比，本研究所提方法从定量角度更为精确地描述了多开关并联支路间寄生电感在不同频段下对传导干扰的感性耦合作用，为多噪声源并联电磁干扰问题的研究提供了有效的方法，并且为解耦电容的布局优化设计提供了理论依据。本研究工作可以为基于多开关并联技术的电力电子装置从电磁干扰角度提供必要的理论参考和设计依据。

完成人与研究团队介绍

西北工业大学电力电子技术团队依托“飞机电推进技术工信部重点实验室”，现有教授1人，副教授3人。研究团队技术力量雄厚，承担了大量国家重点型号工程项目的研究及机载设备和武器装备的研制，积累了大量的工程实践经验，特别是在武器装备功率变换器、机载二次电源变换器、飞机供电特性参数测试平台等领域研究项目覆盖诸多国家和国防重点型号任务，近三年国家级科研经费到款1200余万，授权或公开国家发明专利10余项，发表高水平学术论文30余篇。