简析辐射电磁干扰建模的研究现状

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随着舰船电力电子设备的日益复杂和频段的不断攀高，辐射电磁干扰的建模、互联导线的辐射电磁场研究、非周期暂态工作模式的电磁兼容研究、传导与辐射干扰对消技术等内容越来越成为舰船EMC/EMI研究的热点。

1电磁干扰作用机理与建模

电磁干扰的本质是由电磁场和电磁波的传导或辐射引起的副作用，但对于电力系统而言，电磁干扰是与其结构、工艺、布线等诸多因素相关的复杂电磁现象，目前主要借助于建立在测试基础上的干扰模型对机理进行分析和深入研究，进而研究影响电磁干扰的主要因素，从而为电磁兼容性的理论分析和电磁干扰抑制技术研究奠定基础。许多文献都论述了电力系统中多种电力电子装置电磁干扰的产生与传播机理：Zhang等［3］较早研究了开关电源地电流引起非本质差模（DM）干扰的产生及其传导机理，并进一步给出了该非本质差模干扰滤波器的设计和抑制方法［4］；Klotz等［5］研究了IGBT的电磁干扰机理问题，深入分析了静态工作点、结构、模块封装方式、门极电路、温度和接地等因素对电磁干扰的影响；Chen［6］所提出的PWM变频器电机驱动装置的电磁干扰和轴承电流模型对指导变频装置后续的研究工作有一定的指导意义。这些研究大多是针对具体装置并结合实验而进行的定性分析，有助于对干扰源的定位和干扰形成机理的认识。

1.1传导电磁干扰建模与预测当前，电力系统传导电磁干扰建模与预测工作大量体现在开关电源、PWM变频驱动装置和半导体功率器件的建模研究中。

1.1.1开关电源传导干扰研究Nave［7］于1986年建立了开关电源差模和共模（CM）干扰的电路模型，并对其干扰进行了计算，所提出的模型主要针对干扰作用机理分析。法国LED电磁兼容实验室的Roudet和德国ABB公司的Scheich分别对SCR全桥整流电路在低频谐波段的差模干扰和功率开关电路的共模干扰进行了预测研究［8］。Revol等［9］采用电路瞬态分析方法计算了非连续导通模式下二极管整流桥在LISN上产生的干扰。20世纪90年代后期，信息技术的发展对电能管理和可靠性提出了更高的要求，分布式电力系统在舰船领域的广泛应用使得功率因素校正电路的电磁干扰预测成为热点。Crebier等［10］将PWM调制信号作为干扰源，对一种功率因素校正电路的拓扑进行等效并计算了干扰包络。诸如此类的研究文献一般是将开关器件的开关特性视为理想化的通断过程，为避免理论计算的复杂性，往往忽略了电路的高频寄生参数，所建立的模型仅适用于低频干扰分析。为提高电磁干扰预测的精度，学者们开始借助专业的测量仪器和专业的电磁场分析软件对电路的寄生参数进行抽取，以求建立更为精确的电路模型。Teulings等［11-13］率先采用部分单元等效电路（PEEC）方法建立一个400W的直流斩波器的高频模型，利用InCa软件计算出每一单元的寄生电感和电阻，然后利用Wheeker/Schneider方程计算每个节点单元的寄生电容，最后得到整个电路的电路模型，代入Pspice中进行频域仿真得到干扰，其研究具有较大的开拓意义，但遗憾的是没有建立干扰源（功率器件）模型，而是采用近似的梯形波。Zhang［14］采用与Teulings相同的参数获取方法对反激式开关电源的电磁干扰进行了建模预测，开关器件直接利用Saber的库元件进行时域仿真。Zhang［15］在对功率因素校正电路进行EMI计算时，采用InCa软件和基于有限元（FEA）方法的AnsoftMaxwellQ3D软件对PCB板寄生电感和寄生电容参数进行抽取，得到等效电路后再用Saber软件进行时域仿真，经过FFT求解得到了干扰的包络线，仿真结果与实验结果吻合很好。对于开关电源传导干扰研究，学者们的主要思路是借助专业的测量仪器和电磁场分析软件对电路的寄生参数进行抽取，得到相对精确的分立模型，组合后再进行复杂电路的时域瞬态计算和电磁干扰分析，究其原因是由于纯粹的解析模型对干扰动态特性的描述相当困难，目前仅能进行传导干扰的机理分析。

1.1.2PWM变频驱动装置电磁干扰研究随着高压、大容量的交流PWM变频驱动逐步取代传统的直流驱动方式，PWM变频驱动装置的电磁干扰特性研究逐步深入。Ran等［16］在Saber软件中建立了适于PWM变频驱动的时域仿真系统模型，并据此得到了3种主导模式下简化的电路模型，通过时域和频域方法验证了传导干扰分析的正确性。Chen［6］自20世纪90年代后期开始研究电动牵引机车驱动装置的传导电磁干扰问题，提出了用电压源替换开关器件的建模方法，用二端口网络的S传递函数描述传播特性的方法都颇具创新性。与此同时，为适应复杂系统电磁干扰预测的需要，高频寄生参数测试方法也有新的进展。由于用传统的参数抽取方法，如FEA和PEEC在处理由大功率集成模块、大尺寸连接电缆和DC母线等组成的逆变器电路时相当困难，Zhu等［17］提出了基于时域反射原理（TDR）的建模方法，该方法对电路描述的复杂程度较FEA和PEEC大大降低，便于建立导线和公共母线排的分布参数模型，抽取功率集成模块内部器件连接导线的寄生电感等，且该方法分别在ZVT软开关逆变器和永磁电机驱动系统装置电磁干扰预测研究中取得了较好的实际应用效果。上述研究有助于对PWM变频装置传导干扰源和干扰耦合通道的定位，并确定主要研究参数，但其缺点是主要是通过费时的时域仿真来实现对PWM开关的处理，同时也没有涉及PWM调制模式的影响。因此，为了提高系统级的电磁干扰预测的精度和速度，有必要研究一种不依赖时域仿真的PWM逆变器电磁干扰计算方法［18-19］。

1.1.3半导体功率器件的建模许多电路仿真软件，如Pspice和Saber，其元件库中的半导体功率器件（二极管、MOSFET和IGBT等）模型没有定义器件开关的瞬态电压/电流特性，因此在EMI仿真计算中无法模拟瞬态开关特性。为弥补上述缺陷，有助于理解器件工作机理和进行结构优化，不少文献也给出了精确模拟器件特性的模型描述。Hefner等［20-22］建立的IGBT模型是最早适合电路仿真的一维数学模型和电荷控制模型，其用电感电压的上升特性来模拟由空间电荷层（SCL）边缘快速扩散引起的准静态效应（NQS），同时还考虑了影响动态特性的非线性电容以及正向导通电压和基区导电率的调制特性，使得模型可代入综合性的电路仿真软件，如Saber中进行仿真，进而得到精确的干扰仿真计算频谱。Laboure等［23］针对EMI预测建立了半精确的二极管和IGBT模型，该类模型的一部分基于精确的解析模型，另外一部分是结合仿真软件中的子电路实现，同时考虑了电荷贮存的动态特性和寄生容性影响的静态特性，用电压控制电流源描述二极管的反向恢复电流效应和IGBT的拖尾特性。Ma等［24-25］则从半导体器件物理出发得到了二极管与SCR，GTO，MOSFET，IGBT等功率器件的半精确模型，从结构上将半导体器件分成几个特殊区域，采用集中电荷方法对充电结点进行了物理和电路分析，根据电流密度方程、PN结方程、泊松方程等最后得到器件的模型，该模型进一步扩宽了功率器件的干扰模型建立，但也存在小信号模型不适宜大功率电路仿真的缺点。Azar等［26］在Pspice下建立了大功率非线性电路仿真专用的IGBT模型。考虑到过于复杂的功率器件模型易导致仿真结果不收敛，Nienhaus和Collantes等［27-28］进一步建立了大功率MOSFET高频电路模型来改善这一状况。这种简化的模型属经验宏模型，最大优点是可直接应用于Saber软件进行仿真，模型的参数直接来源于器件生产厂家提供的参数手册，其高频响应也足以令人满意。袁义生［29］提出用改进的集总电荷模型描述PIN二极管的动态和静态特性，用基于小信号LDMOS内核建立了功率VDMMOSFET的高频模型。总之，在分析电力系统电力电子器件的传导干扰方面，基于半导体物理特性而建立的解析模型较复杂且计算量大，而仿真模型则过于依赖专业的软件环境，通用性不强。对传导干扰预测而言，基于器件的高频等效电路建立开关行为模型，研究开关瞬态电压和电流特性是一种可行的改进方向，该方法不仅降低了复杂性，且可保证干扰预测的精确度［30］。

1.2辐射电磁干扰建模研究

辐射干扰是更复杂的电磁场问题，须根据电路的不同特性和导体不同的几何结构来建立不同的模型，目前，还没有文献给出较宽频率范围内辐射电磁干扰的精确建模和求解方法。Youssef等［31-32］对小尺寸的Buck电路在30~100MHz范围内的近场辐射干扰机理进行了研究，其采用磁矢位（magneticvectorpotential）公式进行计算，并用磁场探头对电路上方一定高度的磁场进行测量而求出辐射分布，但由于简化因素较多，该建模所能预测的干扰频带宽度非常有限，不适用于较高的频率。Joshi等［33］在忽略辐射源的辐射延迟效应和假定电力电子装置辐射频率较低的条件下，对系统内的近场辐射采用偶极子叠加方式计算，对系统外近场则将开关器件视为电偶极子，将电感视为磁耦合极子进行计算，得到了较为精确的辐射干扰模型。Cristina等［34］分析了不同负载状态近场的变化，指出负载大小决定了近场辐射的性质；Igarashi等［35］研究了一个半桥式电路的开关过程，指出功率器件的输出电容与电路中寄生电感之间的振荡电流是产生辐射干扰的机理之一；Felic等［36］讨论了散热器对开关电源电路辐射干扰的影响。从辐射干扰的研究文献看，大多是针对布线简单的电路和相对规则的研究对象，频率还限于近场范围，主要分析由高频环路电流引起的辐射问题，对于其他的辐射源及机理研究还未见有公开。

2电磁干扰抑制方法研究

电力电子装置电磁干扰机理的研究主要是为干扰抑制方法奠定基础，国内外研究人员对此做了大量工作。一般抑制干扰的主要机理是从抑制干扰源和阻断干扰传播路径两方面入手，针对不同的研究对象，提出了许多颇具效果的电磁干扰抑制方法。

2.1开关电源的干扰对消抑制技术Wu等［37-38］率先提出了共模电流平衡的观点来消除开关电源变换器的共模干扰。该思想的原理是，在Boost滤波电感上增加一个匝数比为1∶1的反相绕组接在附加MOSFET上，并与主电路MOSFET一起安装在散热器上，使得共模电流在两个MOSFET与散热器之间互相抵消，从而抑制电网侧的共模干扰。Cochrane等［39-40］在此基础上提出了改进思路，即在开关电源中的隔离输出变压器上增加一路与初级绕组反相的补偿绕组和一个等效电容，将共模干扰控制在装置内部，并在多种DC-DC变换器和三相逆变器中进行了校验。Shoyama和Crosato等［41-42］阐述了类似的对消思想方法，并在各种DC-DC变换器中进行了应用；Li等［43］提出了在变换器中设置反相有源嵌位技术的共模干扰抑制方法。干扰对消抑制技术的主要缺点是增加了电路的重量和体积，变压器在高频时的隔离问题也比较难解决。

2.2逆变器干扰抑制技术变频驱动系统中的PWM逆变器在输出三相中点存在共模电压，同时存在漏电流和轴承电流而形成共模干扰，严重干扰电网并制约了电机的工作寿命。控制逆变器产生的共模干扰一般采用阻断干扰传播路径，即设计滤波器的方法，通常有无源和有源两种形式。除传统的共模扼流圈、共模变压器、线路电抗器及RCL无源滤波网络外，最近有文献提出，采用将DC链中点引入输出无源滤波器中点的方法可以大大降低逆变器输出侧dv/dt，减小共模干扰。Ogasawara等［44］从1997年开始研究共模干扰有源消除器（ACC）的设计，其思想是通过在逆变器输出侧的对称Y电容对共模电压进行取样，经过两级射极跟随器产生补偿信号由共模变压器反相后对共模干扰进行补偿。Takahashi等［45］提出了一种采用电流注入型滤波器来消除电机的漏电流的方法，其实质是通过引入漏电流的负反馈，经过共模变压器在电网侧进行补偿以消除共模干扰。Julian等［46-47］提出的三相四桥臂结构的逆变器和六桥臂结构的逆变器利用对称性可以消除共模电压，证明了在四桥臂结构中结合适当的矢量控制策略可减小50%的共模电压干扰。VonJouanne等［48］提出在双逆变器驱动的双绕组电机系统中，通过对称触发技术可以有效降低共模电压。Mutoh等［49-50］通过研究集成功率模块的封装技术和多层PCB的设计技术来控制变频电机驱动系统产生的电磁干扰，通过在4层PCB板中对称布置正、负母线结构来消除直流侧电容的差模电流，通过在主要干扰耦合点与地之间串入电阻来抑制共模电流高频谐振，从而减小主要谐振频率点的干扰峰值。以上对于干扰抑制的研究主要采用的是试探比对的方法，通过实验进行校验。由于对抑制效果缺乏理论上的定量预测，因此提出的方法只能针对具体同类或某几类装置，不具备普适性和通用性。

2.3其它干扰抑制技术采用软开关技术以减缓开关的电压和电流的上升沿与下降沿，从而减小电磁干扰发射，其对干扰抑制的效果主要体现在1MHz以上的高频段。功率开关器件的开关波形受门极驱动电压和杂散参数的影响，因此延长开关的导通和关断过渡时间可以降低高频传导干扰的等级。但同时开关时间的延长又会增大开关损耗，降低控制性能，因此在折衷考虑降低开关损耗的同时，要将电磁干扰发射控制在一定等级。近年来学者提出的载频调制技术（CFM）、随机调制技术（RPWM）、ΣΔ调制技术（SDM）和分散谱调制技术（SSM）等都可以达到减小由PWM调制过程产生的谐波干扰的目的；混沌PWM控制技术（CB-PWM）也可以对指定频率点上集中的干扰能量进行扩散平均化处理。这些新技术的目标是改善谐波干扰分布，其本质是在时域对干扰脉冲进行位移处理以使干扰能量在频域上平均分布，因而可大幅降低开关频率的整数次谐波幅值，但同时会加重边带谐波含量。这些EMI抑制技术的主要局限性是难以在模拟控制电路中实现。电磁干扰抑制是一个综合性、系统性的工程，对于舰船电力系统的各类电力电子装置和敏感设备而言，通常在实际工程中同时使用多种方法：既通过内置滤波器减小干扰源的干扰发射，也通过屏蔽来切断干扰传播路径，同时通过接地等措施减小敏感设备的受扰程度，还通过器件、引线等进行合理的结构布置，减小杂散参数的影响，降低干扰耦合度进而达到抑制电磁干扰、提高电磁兼容性的目的。

3结语

电磁兼容性问题经过100多年的发展，在电磁干扰的理论分析预测与干扰抑制的工程实践方面都取得了长足的发展。舰船独立平台空间狭小、电力电子装置和设备密集的特点决定了其电磁兼容性问题的突出性和复杂性，因此获得了更多的研究和关注。当前，电磁兼容性工程设计和预测分析已成为舰船装备发展的重要组成部分和影响装备战斗力与生命力的关键因素。各国学者针对舰船电磁兼容性方面的不同研究对象、不同频段的干扰问题，在干扰测量、干扰传播特性、干扰预测和干扰抑制等方面进行了大量、细致的研究，取得了一定成果。本文在简述舰船电磁兼容研究范畴和内容的基础上，针对构成舰船电力系统的主要电力电子设备，综述了开关电源、变频驱动装置和功率器件等主要构件的传导电磁干扰机理、建模预测及抑制方法，介绍了辐射干扰机理研究的新进展。尽管诸多研究都还存在欠普适性和一般性的问题，但为舰船电磁兼容性的进一步研究奠定了理论和方法基础。由于电磁兼容性是一门正在发展的新兴学科，同时舰船独立移动平台电磁干扰研究领域涉及面较广，属于多学科交叉的新领域，因此还有许多问题尚待进一步研究：1）在传导干扰的定量预测方面有较大进展，但对于独立拓扑和复杂空间结构的电力电子装置，还缺少合理、定量和通用的描述方法。2）随着舰船信息化、智能化步伐的加快，电力电子装置的开关频率越来越高，干扰频段越来越宽，特别是对于非线性起主导作用的高频干扰而言，其建模和预测研究需进一步深入。3）涵盖100MHz~50GHz频段内的辐射干扰机理理论分析和建模研究还需要有新的理论突破。4）当前的电磁干扰抑制方法仍然是建立在事后抑制的基础上，因此建立舰船电磁兼容性设计的实时仿真模型，在设计阶段充分考虑电磁干扰抑制问题将具有更加重大的意义。

作者：范昕单位：海军装备部驻武汉地区军事代表局