在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中，由于快速開關(guān)器件工作時的開關(guān)頻率比傳統(tǒng)開關(guān)器件的更高，功率密度更大，使電力電子裝置越來越小型化和高性能化，從而被廣泛應(yīng)用于功率變換電路中。功率變換系統(tǒng)的開關(guān)器件在開關(guān)瞬態(tài)過程中，會產(chǎn)生快速變化的電壓和電流，高頻電壓和電流通過系統(tǒng)的寄生參數(shù)形成傳導(dǎo)干擾并影響敏感源，更高頻電壓和電流信號通過空間電磁場以輻射干擾形式影響敏感源。

隨著電力電子變換器向高頻、高功率密度方向發(fā)展，電磁干擾（electromagnetic interference, EMI）問題日益嚴(yán)重。為了保證功率變換系統(tǒng)工作時具有良好的電磁兼容（electromagnetic compatibility, EMC）性能，需要在產(chǎn)品設(shè)計階段進(jìn)行電磁兼容預(yù)設(shè)計。傳統(tǒng)研究EMC的方法是問題解決法和規(guī)范設(shè)計法，當(dāng)功率變換系統(tǒng)出現(xiàn)電磁干擾后，再分析其原因，提出解決辦法，有時甚至采取耗時耗力的試錯法。

針對功率變換系統(tǒng)的EMC問題，研究人員提出了區(qū)別于傳統(tǒng)方法的系統(tǒng)設(shè)計法，如圖1所示，通過對功率變換電路系統(tǒng)的建模，在設(shè)計階段提出電磁干擾的抑制方法，從而大幅度提高系統(tǒng)效率和減小生產(chǎn)成本。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計法（預(yù)設(shè)計）

電磁干擾耦合路徑如圖2所示，電磁干擾從源傳播到接收機(jī)有四種耦合途徑：源直接輻射到接收機(jī)；源直接輻射到與接收機(jī)相連的電源線纜或信號/控制線纜，電磁干擾傳導(dǎo)至接收機(jī)；電磁干擾由源的電源線纜、信號或控制線纜輻射到接收機(jī)；電磁干擾通過公共電源線纜或信號/控制線纜直接傳導(dǎo)至接收機(jī)。電磁干擾根據(jù)傳播途徑可分為傳導(dǎo)干擾、近場耦合、遠(yuǎn)場輻射。

圖2 電磁干擾耦合路徑

傳導(dǎo)干擾是功率變換系統(tǒng)的電磁干擾的主要來源，如圖3所示，內(nèi)部耦合和外部耦合的傳導(dǎo)干擾發(fā)射占據(jù)系統(tǒng)EMI主要部分。傳導(dǎo)干擾根據(jù)傳播路徑又分為共模干擾和差模干擾，如圖4所示：在主回路傳導(dǎo)的電流引起的干擾為差模干擾；同向傳導(dǎo)并通過雜散參數(shù)對地回路電流引起的干擾為共模干擾。

圖3 傳導(dǎo)干擾發(fā)射

圖4 共模干擾和差模干擾

近場耦合干擾可分為電場耦合和磁場耦合兩種，兩者的能量通過寄生電容和寄生電感傳輸，并對應(yīng)著感生電場和感生磁場效應(yīng)，感生的電磁場越強(qiáng)，則干擾源越強(qiáng)，越容易建立耦合路徑。遠(yuǎn)場輻射干擾是由電磁波的空間傳輸引起的。在開關(guān)動作瞬態(tài)過程中，這三種干擾同時存在并影響其他設(shè)備的正常工作。

針對上述電磁干擾問題，研究人員提出了相應(yīng)的EMC建模方法，并依據(jù)電磁干擾三要素，即干擾源、傳播路徑和敏感源，在電磁干擾抑制方面做了大量的研究工作。本文系統(tǒng)闡述功率變換系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾及輻射干擾的建模方法和抑制措施的研究進(jìn)展，總結(jié)不同建模方法的理論模型、實施方法和優(yōu)缺點，歸納各類抑制措施的工作原理、實施途徑和適用性，基于此，討論功率變換電路電磁干擾建模方法和抑制方法的研究瓶頸和進(jìn)一步研究方向。

本文第1節(jié)總結(jié)功率變換系統(tǒng)電磁兼容的建模方法；本文第2節(jié)歸納功率變換系統(tǒng)電磁場干擾的抑制方法；本文第3節(jié)進(jìn)行總結(jié)。

1 功率變換系統(tǒng)電磁兼容建模

1.1 傳導(dǎo)干擾

功率變換系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾建模的常用方法為等效電路法。等效電路主要是指傳輸模型的電路等效，通過簡化干擾源的發(fā)射特性和耦合通道模型，將設(shè)備間的相互耦合關(guān)系簡化成電路分析中的一個等效傳輸模塊的分析方法，并將其轉(zhuǎn)化為可以導(dǎo)入電路仿真中的一個電路仿真模塊，進(jìn)行系統(tǒng)的場路完整分析。

等效電路建模方法可分為時域方法和頻域方法。關(guān)于時域方法，研究人員用基于物理結(jié)構(gòu)或基于行為的設(shè)備模型表征噪聲源。首先采取參數(shù)提取方法完善電路模型，然后使用Saber或Pspice等軟件模擬該電路模型并獲取干擾電流的時域波形，最后采用離散傅里葉變換得到預(yù)測噪聲頻譜。

頻域方法則采用替代理論，用噪聲源代替原始開關(guān)，使電路線性化。傳統(tǒng)方法將開關(guān)波形假設(shè)為梯形波來表征噪聲源，而原始開關(guān)在高頻的實際波形為振鈴波形，則高頻時預(yù)測的噪聲頻譜精度較低。目前均采用測量方法獲取原始開關(guān)時域波形，獲取的波形經(jīng)過傅里葉變換到頻域，從而進(jìn)行電磁干擾頻譜預(yù)測。

在對功率變換系統(tǒng)的共模干擾和差模干擾進(jìn)行等效電路建模時，關(guān)鍵在于提取電路寄生參數(shù)和干擾源參數(shù)。寄生效應(yīng)參數(shù)提取方法可分為兩類：通過部分單元等效電路（partial element equivalent circuit, PEEC）、模型降階（model order-reduction, MOR）和Ansys等有限元數(shù)值方法仿真提取寄生參數(shù)；通過測試方法提取端口網(wǎng)絡(luò)散射參數(shù)和電路阻抗參數(shù)。

1）基于數(shù)值模擬等效電路

PEEC理論在1972年由A.E. Ruehli提出，它是基于積分的電磁場數(shù)值計算方法。

有學(xué)者建立分析接地回路的電磁干擾的PEEC模型，研究了接地網(wǎng)兩點間的阻抗特性。有學(xué)者拓展了PEEC在大尺寸接地回路阻抗特性領(lǐng)域的研究。有學(xué)者采用PEEC方法，建立三電平IGBT共疊層母線變流裝置的等效電路模型，詳細(xì)分析整流器和逆變器功率器件開關(guān)暫態(tài)電磁耦合影響問題。

PEEC理論在電磁兼容領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但在非線性材料的理論建模、局部細(xì)節(jié)建模的計算成本和精度選擇、趨膚效應(yīng)損耗的近似等效等問題上存在瓶頸，有待進(jìn)一步發(fā)展。有限元分析是基于電路特性的黑盒測量，例如二端口網(wǎng)絡(luò)的s參數(shù)值和電路中的寄生參數(shù)。

有學(xué)者利用Ansoft Spicelink軟件提取電路中的寄生參數(shù)，該方法可以精確提取三維結(jié)構(gòu)的RLC寄生參數(shù)，自動生成Spice等效電路，適合電路系統(tǒng)的綜合分析。有學(xué)者采用Ansys軟件的Cmatrix宏指令求解EMI共模、差模模塊的電磁參數(shù)，該方法的分析速度快于前位學(xué)者的研究，但是求解精度低于前位學(xué)者的研究。模型降階技術(shù)有利于等效電路表征，但這些電路是功能性的，與s參數(shù)一致，不利于對器件內(nèi)部運(yùn)行的物理洞察。

2）基于實驗測試等效電路

寄生效應(yīng)也可通過測量或測量和全波模擬聯(lián)合獲取。在實際應(yīng)用中，設(shè)備電氣設(shè)計參數(shù)難以獲得，甚至如功率、工作頻率等關(guān)鍵參數(shù)也無法準(zhǔn)確獲得，導(dǎo)致無法建立精確的電磁兼容性模型。為分析系統(tǒng)的寄生效應(yīng)，提出一種通過測試提取設(shè)備諧波干擾特性、電源的噪聲頻譜等信息，進(jìn)而建立電磁兼容性模型的方法。測試獲取寄生效應(yīng)的方法主要分為以下三類。

有學(xué)者采用一種便捷的系統(tǒng)函數(shù)法，通過幾次簡單測試可比較全面地分析脈寬調(diào)制（pulse width modulation, PWM）調(diào)速系統(tǒng)中接地電流的EMI特性。有學(xué)者利用測出的開關(guān)電源典型耦合通道傳遞函數(shù)，有效地描述傳導(dǎo)干擾耦合通道特性。

有學(xué)者結(jié)合大量的實驗測試分析干擾與開關(guān)動作的本質(zhì)作用關(guān)系，確定主要的干擾源和耦合通道，進(jìn)而建立簡單的電路模型精確描述開關(guān)電源變換器的電磁干擾特性。這類通過多次實驗測試獲取規(guī)律性的解析式表達(dá)電磁干擾特性的方法，其建立的電磁兼容模型相比傳統(tǒng)方法建立的模型更簡化，精度更高。

測試方法另一類應(yīng)用環(huán)境是根據(jù)測試參數(shù)，建立等效電路。有學(xué)者提出一種頻域模塊化建模方法，建立諾頓等效電路，利用測試儀器獲取傳播路徑參數(shù)，構(gòu)建功率變換系統(tǒng)的電磁干擾預(yù)測模型。這類方法可以針對性地測試器件或模塊的參數(shù)，減少實驗測試的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)電磁兼容分析的可操作性。

第三類測試方法可以直接描述器件的寄生效應(yīng)。有學(xué)者通過對陶瓷電容器阻抗值和功率模塊引腳的測量，獲取并定義了器件內(nèi)部的寄生效應(yīng)。

測試方法可結(jié)合計算方法和仿真方法來獲取系統(tǒng)的寄生參數(shù)，適用于實際中復(fù)雜的工程。有學(xué)者綜合考慮系統(tǒng)中電動機(jī)內(nèi)部的耦合效應(yīng)，通過實驗測試與理論計算，建立電動機(jī)的高頻等效電磁干擾模型。有學(xué)者采用測試獲取端口網(wǎng)絡(luò)s參數(shù)和有限元仿真寄生參數(shù)結(jié)合的方法，建立平衡阻抗和EMI濾波器共模插入損耗之間的關(guān)系，預(yù)測平衡阻抗取值。

3）參數(shù)提取方法的特點與展望

功率變換電路系統(tǒng)中，采用數(shù)值方法獲取的電路的寄生效應(yīng)參數(shù)可更全面、更精準(zhǔn)地預(yù)測電磁干擾特性。但對實際的功率變換器而言，由于其開關(guān)瞬態(tài)性能、電路連線的三維結(jié)構(gòu)及無源器件的非線性等因素的影響，數(shù)值方法對其進(jìn)行精確描述比較困難，預(yù)測的電磁干擾精度存在一定誤差，并且需要較大時間成本。

采用實驗測試方法獲取電路的寄生效應(yīng)參數(shù)可較快地對EMI進(jìn)行定量分析，準(zhǔn)確預(yù)測EMI的時域波形和頻譜特性。但是測量儀器的分辨率、尺寸及示波器精度的限制，以及在較寬頻段的測量中，測試回路存在的分布電容，均會影響測試結(jié)果。在對功率變換電路系統(tǒng)進(jìn)行電磁干擾預(yù)測時，需根據(jù)實際裝置選取相應(yīng)的參數(shù)提取方法。對于復(fù)雜裝置而言，結(jié)合實驗測量和數(shù)值方法共同獲取寄生效應(yīng)參數(shù)是必然的趨勢。

1.2 近場耦合

近場耦合的變化遵循以下規(guī)律：在時間上，與電壓電流的變化同步；在空間上，與物理量大小和印制電路板（printed circuit board, PCB）布線情況相關(guān)?；诖?，近場耦合的能量傳輸可以采用矩量法、有限元等數(shù)值方法和實驗測試方法進(jìn)行建模分析。

1）數(shù)值模擬

PEEC包含互感和互容，有利于近場耦合的建模。有學(xué)者采用PEEC方法主要考慮系統(tǒng)電路之間的互感耦合，而有的學(xué)者則專注于系統(tǒng)電路和地阻抗的耦合分析，為進(jìn)一步完善系統(tǒng)級電磁干擾提供了理論依據(jù)。矩量法是功率變換系統(tǒng)EMC設(shè)計應(yīng)用的理想方法，該技術(shù)相比有限元等其他技術(shù)具有更快的分析速度和求解精度。

有學(xué)者針對電氣設(shè)備間的互耦干擾和外部放射源產(chǎn)生的耦合干擾同時存在的情形，采用改進(jìn)的最小方均二乘法結(jié)合矩量法，實現(xiàn)被測信號幅值、相位的優(yōu)化計算。基于傳統(tǒng)的數(shù)值方法，有學(xué)者提出一種具有橫向分割的波形松弛技術(shù)和延遲提取無源緊湊電路宏模型的有效時域方法，該方法利用等效源的概念避免了復(fù)雜的解耦問題，提高了數(shù)值方法的計算效率和精度。

2）實驗測試

近場耦合強(qiáng)度與耦合兩者間的距離、相對角度有關(guān)，不易計算得出，可采用實測的方法確定。有學(xué)者采用加激勵測試另一器件感應(yīng)電壓的方法獲取功率因數(shù)校正電源與EMI濾波器間耦合互感，進(jìn)而建立包含器件間磁耦合效應(yīng)的高頻電路模型。

1.3 輻射干擾

目前，在輻射EMI噪聲分析方面大多采用遠(yuǎn)場測試、近場測試、電磁場仿真、統(tǒng)計方法及電磁場數(shù)值計算方法。

1）實驗測試

功率變換系統(tǒng)輻射干擾的實驗測試包含三類：TEM（transverse electro magnetic）、GTEM（gigahertz transverse electro magnetic）小室測量；近磁場測量；小頻帶掃描。有學(xué)者分別采用TEM小室測量、近磁場測量、小頻帶表面掃描分析了多芯片模塊的輻射分布。TEM、GTEM小室方法可測量被試對象的詳細(xì)輻射分布，但是無法給出輻射源的具體信息。近場探測方法可快速定位輻射源并初步描述輻射源。近場掃描方法可描述輻射源信息，獲取詳細(xì)輻射分布。

2）統(tǒng)計方法

現(xiàn)代高密度印制電路板的統(tǒng)計特性和復(fù)雜的布線，以及模擬和數(shù)字電路的混合配置，使多層相鄰線路的天線效應(yīng)無法被估計?；诖耍y(tǒng)計方法被用來分析PCB的輻射發(fā)射特性。

有學(xué)者提出一種利用軌跡定向函數(shù)估計PCB輻射磁化率，進(jìn)而分析印制電路板電磁兼容性的統(tǒng)計方法。有學(xué)者采用無窮小電偶極子模擬PCB的輻射發(fā)射，基于偶極子模型的電流估計提出一種確定PCB功率分布的統(tǒng)計方法，該方法適用于復(fù)雜PCB結(jié)構(gòu)輻射水平的快速檢測。有學(xué)者采用一個簡單的緩沖區(qū)對CMOS的傳播延遲、功耗和瞬態(tài)行為進(jìn)行建模，基于此提出一種統(tǒng)計方法估計超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的PCB布局的功耗分布和電力消耗圖，可用于系統(tǒng)的電磁干擾分析。

3）數(shù)值方法

高速數(shù)字混合多層PCB設(shè)計需滿足EMC設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)數(shù)值方法在分析這類問題時存在瓶頸，因此需要開發(fā)先進(jìn)的電磁兼容建模方法。文獻(xiàn)[42]針對多層印制電路板上的輻射電磁兼容耦合問題，提出一種新的數(shù)值建模方法Kron。Kron方法集成了電磁發(fā)射、泰勒和場互連耦合模型，可有效預(yù)測單層微帶和多層PCB之間的寬帶輻射耦合。

1.4 電磁場建模

電磁兼容性模型可分為兩類，一類用于提取參數(shù)，另一類用于解決場及能量的分布問題。前者與“等效路”方法緊密相關(guān)，“等效路”中等效的傳輸模塊參數(shù)需建立模型進(jìn)行提取，將其轉(zhuǎn)化為可以導(dǎo)入電路仿真中的一個仿真模塊，進(jìn)行系統(tǒng)分析。后者屬于“場”的方法?！皥觥钡姆椒ㄊ腔邴溈怂鬼f方程直接求解系統(tǒng)電磁輻射問題，如有限元差分法、傳輸矩陣方法、矩量法和時域積分方程法等數(shù)值方法。

有學(xué)者提出一種穩(wěn)定的快速多極子方法，適用于模擬具有小尺寸幾何特征物體的電磁散射。有學(xué)者建立了一個功率逆變器系統(tǒng)的三維有限元模型，適用于研究輻射場的功能行為，但對系統(tǒng)中電流環(huán)的精確有限元邊緣建模仍存在不確定性。有學(xué)者采用有限元法，綜合考慮母線型EMI濾波器“磁-熱-流體”多物理耦合場特性，能全面分析電磁輻射分布，但是增加了幾何建模和剖分難度。

有學(xué)者提出基于CST軟件的平面變壓器共模EMI建模方法，該三維電磁仿真模型可在設(shè)計初期準(zhǔn)確預(yù)測平面變壓器EMI性能，且適用于整個傳導(dǎo)EMI頻段和部分輻射EMI頻段。有學(xué)者從能量脈沖和電磁場瞬變過程的角度，給出了開關(guān)瞬態(tài)過程中功率器件內(nèi)部和空間的電磁場分布和變化情況，從根本原理上描述了電磁干擾，為電力電子系統(tǒng)EMI機(jī)理研究提供有效的數(shù)值分析基礎(chǔ)。

1.5 電磁兼容建模方法展望

為了獲取系統(tǒng)更精確的電磁兼容性模型，需進(jìn)一步研究建模理論和優(yōu)化方法。當(dāng)系統(tǒng)存在復(fù)雜的傳導(dǎo)或輻射耦合交聯(lián)關(guān)系，設(shè)備之間形成復(fù)雜的場路耦合關(guān)系時，需要從電磁場和電路兩個方面對系統(tǒng)進(jìn)行綜合仿真分析，既進(jìn)行相應(yīng)的電磁仿真，又在電路仿真分析中充分考慮電磁環(huán)境的影響?；诖?，提出一種場路協(xié)同技術(shù)。該技術(shù)將外部電磁發(fā)射形成的場均等效為電路層面的干擾源，并最終實現(xiàn)在電路層面上對系統(tǒng)電磁兼容性的綜合仿真。

針對功率變換系統(tǒng)的電磁干擾問題，國內(nèi)外制定了對應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)。國際上執(zhí)行IEC 61000—3標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定電源及電源系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾電壓頻帶為150kHz～30MHz，輻射干擾頻帶為30MHz～1GHz。我國國標(biāo)GB/T 21419—2013規(guī)定民用傳導(dǎo)干擾頻段為150kHz～30MHz，國軍標(biāo)GJB151B—2013規(guī)定軍用電源線傳導(dǎo)發(fā)射頻段為10kHz～10MHz。

其中較低頻段的電磁干擾模型容易被建立，而10MHz以上頻段的EMI耦合路徑復(fù)雜。并且在實際中存在各種非理想的因素，給中高頻段的EMI建模帶來挑戰(zhàn)。因此，通過優(yōu)化電磁數(shù)值模擬技術(shù)和測試方案，建立包含非線性、時延、寬頻帶和耦合靈敏特性等因素的完全的精確電磁兼容模型，是需攻克的另一技術(shù)瓶頸。

2 功率變換系統(tǒng)電磁兼容抑制方法

功率變換系統(tǒng)的電磁兼容問題與干擾源、耦合路徑和敏感源有關(guān)?；诖?，有兩種思路抑制系統(tǒng)的EMI：一是降低噪聲源頻譜和噪聲平衡；二是切斷干擾源與敏感源的耦合路徑。常用降低噪聲源頻譜的方法有軟開關(guān)技術(shù)、主電路拓?fù)鋬?yōu)化、PWM和門極驅(qū)動技術(shù)，噪聲平衡技術(shù)有反相繞組法。

常用的切斷耦合路徑的方法有EMI濾波器、印制電路板布局優(yōu)化和屏蔽技術(shù)。其中，軟開關(guān)和脈寬調(diào)制屬于控制策略優(yōu)化技術(shù)，這兩種成熟的技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計中，PCB布局優(yōu)化技術(shù)會增加產(chǎn)品研發(fā)的成本，目前推廣應(yīng)用較慢，濾波器是目前采用最多的EMI抑制技術(shù)，但是它的使用增加了產(chǎn)品的體積和質(zhì)量。

2.1 濾波器

電磁干擾濾波器裝置在設(shè)備端口，將設(shè)備整體視為“黑盒子”，不考慮其內(nèi)部噪聲的產(chǎn)生和耦合機(jī)理，利用噪聲源阻抗與濾波器阻抗失配原理，切斷設(shè)備間的耦合路徑，從而抑制傳導(dǎo)噪聲。這種方法實用性強(qiáng)，但不能從根源上消除功率變換器內(nèi)噪聲的發(fā)射。濾波技術(shù)的研究集中于其類型、阻抗、結(jié)構(gòu)、電路拓?fù)浜拖到y(tǒng)設(shè)計等方面。

EMI濾波器類型可分為模擬EMI濾波器和數(shù)字EMI濾波器。模擬EMI濾波器分為無源EMI濾波器（passive EMI filter, PEF）、有源EMI濾波器（active EMI filter, AEF）和混合有源EMI濾波器（hybrid active EMI filter, HAEF）。PEF電路拓?fù)浜唵?，運(yùn)行可靠，但其體積和質(zhì)量較大、濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)限制、補(bǔ)償頻帶窄。AEF濾波特性相比PEF較好，但由于功率損耗和增益帶寬的限制，其抑制高頻噪聲電流的能力不強(qiáng)。

HAEF由PEF與AEF相結(jié)合構(gòu)成。HAEF中有源器件可放大無源器件阻抗，即存在阻抗倍增效應(yīng)，但其寬頻范圍內(nèi)抑制效果不佳。模擬濾波器沒有從根本上解決EMI濾波器的體積和功耗問題。數(shù)字有源EMI濾波器（digital active EMI filter, DAEF）因不在主電路中串聯(lián)器件，從根本上解決了濾波器體積和功耗的問題，且不受功率和電流的限制。

數(shù)字有源EMI濾波器是數(shù)字化開關(guān)功率變換器傳導(dǎo)EMI抑制技術(shù)發(fā)展的新方向。有學(xué)者通過分析系統(tǒng)中的延遲時間及寄生參數(shù)，建立計及延遲時間和無源電路寄生參數(shù)的DAEF系統(tǒng)精確模型，更加準(zhǔn)確地描述了DAEF的濾波特性，有利于DAEF設(shè)計。

EMI濾波器的噪聲抑制效果與噪聲源阻抗的精度有關(guān)。有學(xué)者提出基于雙阻抗校準(zhǔn)和麥夸爾特的噪聲源阻抗提取方法，針對如何獲取被測噪聲源阻抗的幅值、相位及其電阻、電容和電感參數(shù)，濾波器的設(shè)計更具一般性。有學(xué)者研究了一種可分別考慮共模和差模噪聲源阻抗影響的阻抗提取方法，該設(shè)計方法更具針對性和可靠性，但適用性較差。

濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計可增強(qiáng)其噪聲抑制效果。有學(xué)者提出一種新型集成式母線型EMI濾波器，將傳輸線與濾波器相結(jié)合，對噪聲電流實現(xiàn)“反射”與“耗散”雙重衰減，加強(qiáng)了濾波效果。有學(xué)者提出一種基于一定繞線策略的新型集成濾波器，該濾波器可通過設(shè)計繞組只增加差模電感，并且保持共模電感值與傳統(tǒng)濾波器一致，可使濾波器尺寸減少約20%。有學(xué)者提出一種濾波與整流器合并的裝置，利用三象限MOSFET線性控制的方案，可減小無源濾波器的尺寸，提高功率轉(zhuǎn)換器的功率密度。

EMI濾波器的電路拓?fù)湓O(shè)計可優(yōu)化濾波效果。有學(xué)者針對非隔離光伏逆變器光伏陣列側(cè)的共模干擾問題，給出直流側(cè)EMI濾波器設(shè)計方法，并對4種濾波器拓?fù)溥M(jìn)行了研究分析。有學(xué)者提出一種帶有阻抗失配網(wǎng)絡(luò)的EMI濾波器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計法，該設(shè)計利用濾波器端口阻抗失配所產(chǎn)生的反射損耗對EMI濾波器的工作狀態(tài)進(jìn)行有效配置，適用于平面環(huán)形濾波器。有學(xué)者提出濾波器拓?fù)浜蜑V波元件參數(shù)同步設(shè)計方法，有助于解決EMI濾波器設(shè)計中反復(fù)實驗迭代和過設(shè)計的問題。

濾波器的系統(tǒng)設(shè)計方法可提高其濾波效率。有學(xué)者提出一種基于轉(zhuǎn)移函數(shù)的共模干擾濾波器設(shè)計方法，在電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的逆變器直流側(cè)和交流側(cè)均設(shè)計了共模干擾濾波器。該方法可保證在交流側(cè)共模干擾強(qiáng)度不增加的同時，有效抑制直流側(cè)共模干擾。有學(xué)者通過分析逆變器的傳導(dǎo)干擾與差模干擾的耦合系數(shù)關(guān)系，計算了使變換器整體功率密度最大化的臨界耦合系數(shù)，基于此設(shè)計了相應(yīng)的EMI濾波器。

2.2 脈寬調(diào)制

脈寬調(diào)制是決定電力電子噪聲的主要因素，可改善系統(tǒng)中逆變器輸出電壓波形質(zhì)量，抑制傳導(dǎo)電磁干擾。

有學(xué)者提出3種改善電磁干擾噪聲的脈寬調(diào)制方法，分別是變開關(guān)頻率PWM、載波移相PWM和零共模PWM。頻率調(diào)制技術(shù)是一種直接控制干擾源、減小系統(tǒng)EMI、改善系統(tǒng)電磁兼容性的有效方法。在頻率調(diào)制降低開關(guān)變換器EMI噪聲的技術(shù)中，采用的調(diào)制信號從最初的正弦信號、隨機(jī)信號，發(fā)展為混沌信號。隨機(jī)信號和混沌信號均具有寬頻特性，且混沌信號實現(xiàn)成本更低。

有學(xué)者將優(yōu)化后的三狀態(tài)Markov鏈引入隨機(jī)周期調(diào)制技術(shù)中，降低了功率變換器輸出電壓紋波，提高了電壓輸出精度。有學(xué)者提出一種應(yīng)用于開關(guān)變換器、從源頭上降低噪聲的混沌頻率調(diào)制技術(shù)，由于頻率調(diào)制占空比恒定，該技術(shù)對輸出電壓影響較小。有學(xué)者提出一種抑制共模干擾的空間矢量脈寬調(diào)制（space vector pulse width modulation, SVPWM）控制方法，通過對電壓矢量的優(yōu)選降低共模電壓的變化率，可在幾乎不增加諧波的情況下降低系統(tǒng)的共模電壓和電流。調(diào)制波移相PWM算法具有良好的共模電壓抑制效果，但其輸出電壓的諧波含量較高，降低了該算法的實際應(yīng)用價值[66]。

有學(xué)者提出一種消除共模電壓的調(diào)制波移相PWM算法，通過與傳統(tǒng)SVPWM、改進(jìn)SVPWM和載波反向?qū)盈B調(diào)制算法對比分析，驗證了該算法抑制T型逆變器共模電壓的有效性。從直流電壓利用率、輸出電壓和共模電壓抑制效果等方面綜合考慮，改進(jìn)SVPWM算法的綜合效果好，具有實際工程應(yīng)用價值。零共模PWM技術(shù)可充分利用并聯(lián)變換器多矢量組合的自由度，使矢量合成效果為零矢量，完全消除共模電壓。

與濾波器方法相比，脈寬調(diào)制方法具有不增加系統(tǒng)成本和設(shè)計難度的優(yōu)勢，且對不同功率等級系統(tǒng)的通用性較高。由于控制方式的改變，該方法會對逆變器輸出電壓造成不利影響。PWM方法或逆變器控制方法對減少差模干擾的作用較大，對共模干擾的抑制效果不是很理想，整體上可起輔助抑制作用。

2.3 軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)通過降低系統(tǒng)功率器件產(chǎn)生的du/dt和di/dt改善EMI噪聲。軟開關(guān)技術(shù)根據(jù)應(yīng)用的電路拓?fù)洳煌?，需制定相?yīng)的軟開關(guān)方案。部分功率變換系統(tǒng)軟開關(guān)特性易受系統(tǒng)參數(shù)擾動影響，從而影響抑制EMI效果。

有學(xué)者通過分析系統(tǒng)拓?fù)鋮?shù)的擾動，給出關(guān)鍵參數(shù)配置方法，提高了系統(tǒng)零電壓軟開關(guān)的穩(wěn)定性。軟開關(guān)技術(shù)可與電路拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合，改善系統(tǒng)EMC性能。有學(xué)者提出一種零電壓開通N型交錯并聯(lián)三電平變換器，該方案可減小其輸入電流紋波和開通損耗，抑制EMI效果良好。軟開關(guān)技術(shù)是從機(jī)理上抑制變換器EMI，但其受系統(tǒng)參數(shù)影響，不能從根源上完全改善系統(tǒng)電磁兼容性能。

2.4 門極驅(qū)動技術(shù)

高頻開關(guān)器件在開關(guān)瞬態(tài)過程中會產(chǎn)生高du/dt和di/dt，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動電路可減少EMI。優(yōu)化的門極驅(qū)動電路具有低干擾和損耗、高開關(guān)頻率的特性，但高頻開關(guān)器件使這些特性相互沖突，從而增加了門極驅(qū)動電路的設(shè)計難度。

基于此，有學(xué)者提出一種新的MOSFET三階驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路通過靈活控制門極電阻大小來獨(dú)立控制電壓及電流的變化率，可在不影響開關(guān)速度的情況下減小電磁干擾及開關(guān)損耗。有學(xué)者提出一種基于驅(qū)動脈沖自動校準(zhǔn)的全橋電路共模抑制方法，該方法主要依賴軟件完成，實現(xiàn)成本低，且可在共模電流特征頻段上獲取約10dB的衰減，具有較好性價比。

寬禁帶器件和Si器件性能分布如圖5所示，碳化硅和氮化鎵等寬禁帶功率器件可以提高變換器的功率密度和效率，并且具有遠(yuǎn)高于硅的開關(guān)速度，可以在更高頻的工況下運(yùn)行，因而受到廣泛關(guān)注。然而更高的開關(guān)頻率不僅帶來電磁干擾，還在開關(guān)過程中產(chǎn)生了高頻振蕩和尖峰應(yīng)力等瞬態(tài)問題，使器件驅(qū)動設(shè)計面臨新挑戰(zhàn)。

圖5 寬禁帶器件和Si器件性能分布

碳化硅器件需要18～20V的柵極驅(qū)動電壓來開啟具有低導(dǎo)通電阻的器件，并且需要特定的柵極驅(qū)動器切換到“關(guān)閉”狀態(tài)。因此，開發(fā)了特殊的柵極驅(qū)動芯片滿足這些要求。有學(xué)者提出一種智能柵極驅(qū)動方案，可以自動調(diào)節(jié)器件驅(qū)動電壓和柵極電阻，從而降低高頻振蕩和尖峰。當(dāng)器件運(yùn)行在高壓工況時，有源主動?xùn)艠O驅(qū)動技術(shù)可通過改變柵極電阻值動態(tài)調(diào)節(jié)電壓和電流的變化率，進(jìn)而削弱器件的振蕩和尖峰，改善變換器的電磁兼容性能。

氮化鎵器件存在更嚴(yán)重的振蕩和尖峰問題。有學(xué)者研發(fā)出一種集成電平位移電路和自舉電路的驅(qū)動芯片，可以高速可靠地驅(qū)動器件。分段柵極驅(qū)動技術(shù)也可以有效驅(qū)動氮化鎵器件。有學(xué)者提出一種新的級聯(lián)柵極驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)來降低移相全橋變換器的共模電流，共模干擾抑制效果良好。

2.5 反相繞組法

反相繞組法是通過引入異相位移電流抵消原始的位移電流，進(jìn)而抑制變換器EMI。該方法是Boost變換器傳導(dǎo)噪聲抑制的有效技術(shù)，但其高頻段共模噪聲抑制效果受繞組的寄生參數(shù)影響。反相繞組法可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提高抑制EMI帶寬。有學(xué)者提出一種繞線式平衡繞組]抵消共模噪聲的方法，該設(shè)計抑制干擾效果好，但是實現(xiàn)難度和成本高。有學(xué)者采用反相變壓器代替反相繞組，可極大減小漏感和二次分布電容，抑制干擾效果略差于相關(guān)研究，但易于實現(xiàn)，工程實用性高。上述方法均可提高有效帶寬和傳導(dǎo)噪聲的抑制效果。

圖6 Boost共模干擾反相消除電路

有學(xué)者提出將屏蔽技術(shù)與繞線消除方法相結(jié)合的屏蔽消除技術(shù)，調(diào)整屏蔽層的匝數(shù)和繞線方向與相鄰繞組相同，使繞組間電容上的電壓干擾源被消除，進(jìn)而抑制隔離功率變流器的共模噪聲。

2.6 電路拓?fù)鋬?yōu)化

電路拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以通過調(diào)整系統(tǒng)阻抗來抵消噪聲源。有學(xué)者提出一種基于電路拓?fù)涞拇笞杩贡绕胶鈽虻墓材＝翟敕椒ǎ摷夹g(shù)可在較寬頻帶內(nèi)大幅度抑制共模噪聲。有學(xué)者采用基于惠斯通電橋和疊加定理的平衡技術(shù)，加上濾波電感作為去耦電感，因此共模噪聲阻抗增加，降低了電磁干擾噪聲。該方法在電路系統(tǒng)中可靈活抑制各節(jié)點干擾，充分提高整個系統(tǒng)的電磁兼容性，工程應(yīng)用性強(qiáng)。

2.7 PCB布局和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

PCB布局和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化分別通過改變噪聲傳輸路徑和系統(tǒng)阻抗來抑制EMI。有學(xué)者通過改進(jìn)PCB布局來提高集成電路系統(tǒng)的EMC性能。有學(xué)者采用分離式散熱器與阻尼緩沖器相結(jié)合的方法來降低碳化硅JFET型逆變器的共模和差模噪聲，在高頻范圍內(nèi)的抑制效果更佳。

有學(xué)者通過分析確定功率器件對地寄生電容是影響共模干擾的主要因素，增大功率器件導(dǎo)熱片與散熱器之間導(dǎo)熱硅脂的厚度，從而增大開關(guān)器件對地寄生阻抗，有效降低變換器系統(tǒng)的低頻傳導(dǎo)噪聲，該方法可減小變換器體積且實現(xiàn)成本低，具有工程應(yīng)用價值。

2.8 電磁干擾抑制方法展望

每個系統(tǒng)和功率變換器都需要特定的電磁干擾抑制技術(shù)和電磁干擾濾波器優(yōu)化，為了獲得更好的性能和更高的效率，濾波器尺寸和增加元件之間的優(yōu)選配置方案是必要的。在復(fù)雜工況下，多種電磁干擾抑制技術(shù)的有效性評估，多種相適應(yīng)的EMI抑制技術(shù)聯(lián)合的可行性設(shè)計，以及搭建可預(yù)設(shè)計并量化評估抑制措施的仿真實驗平臺，是需要進(jìn)一步研究的工作。

以圖7所示三相功率變換器系統(tǒng)為例，為了獲取該系統(tǒng)更好的電磁兼容性設(shè)計，可在變換器的直流側(cè)和交流側(cè)添加相適應(yīng)的濾波器，通過調(diào)整控制電路獲取合適的軟開關(guān)技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)，基于驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化門極驅(qū)動方案，甚至對系統(tǒng)的主電路拓?fù)浜蚉CB布局進(jìn)行優(yōu)化和改善，綜合評估多種抑制技術(shù)聯(lián)合設(shè)計的可行性，實現(xiàn)功率變換系統(tǒng)功能指標(biāo)和電磁兼容性相協(xié)調(diào)。

圖7 三相功率變換器系統(tǒng)

3 結(jié)論

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，更快速、集成度更高、尺寸更小的功率器件及組件被更多地應(yīng)用于功率變換電路系統(tǒng)，電路系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計更具挑戰(zhàn)性。本文系統(tǒng)介紹了功率變換系統(tǒng)電磁干擾噪聲的發(fā)射和傳播機(jī)理，闡述了系統(tǒng)電磁兼容性主要建模方法和電磁干擾抑制措施，總結(jié)了現(xiàn)有EMI建模方法及其關(guān)鍵技術(shù)的特點和面臨的挑戰(zhàn)，歸納了現(xiàn)有EMI抑制措施的實施手段和適應(yīng)性，指出了其技術(shù)瓶頸，并對研究前景進(jìn)行了展望。

未來可加深對場路聯(lián)合建模的研究，優(yōu)化電磁數(shù)值模擬技術(shù)和實驗測試設(shè)計，以及專注于對多種電磁干擾抑制方法的聯(lián)合設(shè)計和抑制干擾方案的一般性設(shè)計的探究，進(jìn)而形成預(yù)估系統(tǒng)電磁干擾和采取相應(yīng)EMC對策的理論和規(guī)范，使系統(tǒng)的EMC設(shè)計更加合理高效。

本文編自2022年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“功率變換電路電磁兼容建模及抑制方法”，作者為趙玉虎、明正峰 等。