作為功率電子系統(tǒng)的核心,功率驅(qū)動(dòng)電路采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件,其開(kāi)關(guān)變化產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲尤為突出,由此引起的電磁干擾(EMI)問(wèn)題會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,甚至不能正常工作,并對(duì)其他電路系統(tǒng)造成影響。隨著功率電子系統(tǒng)向高速度、高集成、高電壓、大電流等趨勢(shì)發(fā)展,EMI問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重。然而,由于開(kāi)關(guān)器件等引入了各種復(fù)雜寄生參數(shù),導(dǎo)致電磁干擾源(開(kāi)關(guān)噪聲)及其傳輸方式(傳導(dǎo)、輻射干擾)的建模與分析復(fù)雜性大大提高,傳統(tǒng)的建模和分析方法已不能準(zhǔn)確判斷相關(guān)參數(shù)對(duì)EMI影響程度。因此,對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路中開(kāi)關(guān)噪聲及電磁干擾特性研究至關(guān)重要。本文以功率驅(qū)動(dòng)電路中的典型電路結(jié)構(gòu)單開(kāi)關(guān)管電路和推挽結(jié)構(gòu)電路為研究對(duì)象,發(fā)光二極管照明(LED)驅(qū)動(dòng)電路和等離子顯示(PDP)驅(qū)動(dòng)電路為實(shí)際案例,重點(diǎn)研究開(kāi)關(guān)噪聲非線(xiàn)性模型、時(shí)域頻域特性及基于等效傳輸路徑的EMI傳導(dǎo)特性、基于電磁仿真的EMI輻射特性等,并基于研究結(jié)果得到了有效抑制功率驅(qū)動(dòng)電路電磁干擾的方法。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：1、建立了基于狀態(tài)變量描述法的開(kāi)關(guān)噪聲非線(xiàn)性模型。采用狀態(tài)變量描述法克服了傳統(tǒng)建模方法中沒(méi)有全面地考慮開(kāi)關(guān)器件非線(xiàn)性的問(wèn)題,并清晰地描述了相關(guān)參數(shù)與開(kāi)關(guān)噪聲之間的解析關(guān)系,仿真和測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了不同條件下模型的準(zhǔn)確性。基于所建模型,利用時(shí)域波形分解法及考慮測(cè)量帶寬的頻譜計(jì)算方法提取了開(kāi)關(guān)噪聲的高頻特征。2、建立了開(kāi)關(guān)噪聲傳導(dǎo)干擾的解析模型。采用等效電路分析的方法兼顧了共模、差模干擾傳播路徑的差異及開(kāi)關(guān)器件的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài),通過(guò)三維數(shù)值仿真進(jìn)行了功率驅(qū)動(dòng)電路中對(duì)地等效電容、輸入濾波電容、開(kāi)關(guān)器件極間電容等參數(shù)對(duì)EMI影響程度的定量分析,彌補(bǔ)了時(shí)域電路模型不能準(zhǔn)確判斷關(guān)鍵參數(shù)的問(wèn)題,為EMI抑制提供了依據(jù)。3、實(shí)現(xiàn)了基于三維空間模型的驅(qū)動(dòng)電路全波電磁仿真。針對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路工作頻率與仿真頻率差距大的特殊性,采用線(xiàn)性化仿真方法顯著縮短了仿真時(shí)長(zhǎng),重點(diǎn)分析了印刷電路板(PCB)表面電流分布、高頻電流環(huán)路面積、高頻電流幅值、輸入/輸出電纜長(zhǎng)度等對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射強(qiáng)度的影響。4、根據(jù)上述分析,從減小開(kāi)關(guān)噪聲、改變傳輸路徑兩個(gè)角度,分別優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路中浮地電容、限流電阻等關(guān)鍵器件參數(shù)及PCB關(guān)鍵路徑布線(xiàn)的方法對(duì)兩個(gè)應(yīng)用案例進(jìn)行定量設(shè)計(jì)和測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,將等離子顯示(PDP)驅(qū)動(dòng)電路中開(kāi)關(guān)噪聲控制在總電源電壓10%以下,噪聲峰值從191V下降至154V,近場(chǎng)輻射干擾平均降低約8dBμV,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性并使其滿(mǎn)足了產(chǎn)品EMI限定要求；將發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)電路中傳導(dǎo)干擾水平降低約21dBμV,使其滿(mǎn)足了EN55022標(biāo)準(zhǔn)限值要求。本文從理論分析、定量仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個(gè)層面,對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路中開(kāi)關(guān)噪聲的非線(xiàn)性模型、電磁干擾源的分析方法、電磁干擾的傳導(dǎo)干擾模型、輻射仿真及方法等方面進(jìn)行了研究,提出了相應(yīng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)應(yīng)用案例完成了測(cè)試驗(yàn)證。本文工作為系統(tǒng)深入地研究功率驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的電磁干擾抑制方法奠定了基礎(chǔ),為高可靠性的功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論及實(shí)踐指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：TN303
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 功率驅(qū)動(dòng)電路概述及電磁干擾問(wèn)題
    1.2 開(kāi)關(guān)噪聲與電磁干擾國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 EMI組織機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)體系
    1.4 本文研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)
第二章 功率驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)噪聲產(chǎn)生機(jī)理
    2.1 功率開(kāi)關(guān)器件的非線(xiàn)性特性
        2.1.1 MOSFET器件非線(xiàn)性特性
        2.1.2 IGBT器件非線(xiàn)性特性
    2.2 PCB跡線(xiàn)的寄生電感
    2.3 單開(kāi)關(guān)管電路的開(kāi)關(guān)振蕩噪聲
    2.4 推挽結(jié)構(gòu)電路的電源/地線(xiàn)上開(kāi)關(guān)噪聲
    2.5 本章小結(jié)
第三章 開(kāi)關(guān)噪聲建模及其特性研究
    3.1 開(kāi)關(guān)噪聲的非線(xiàn)性建模與分析
        3.1.1 單管結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)噪聲的建模與驗(yàn)證
            3.1.1.1 單管反激變換器工作原理及狀態(tài)分析
1振蕩噪聲模型'>            3.1.1.2 Q₁振蕩噪聲模型
2振蕩噪聲模型'>            3.1.1.3 Q₂振蕩噪聲模型
            3.1.1.4 模型對(duì)比驗(yàn)證
        3.1.2 推挽結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)噪聲的建模與驗(yàn)證
            3.1.2.1 推挽PDP驅(qū)動(dòng)電路工作原理及狀態(tài)分析
            3.1.2.2 推挽PDP驅(qū)動(dòng)電路的電源/浮地上噪聲模型
            3.1.2.3 模型對(duì)比驗(yàn)證
    3.2 開(kāi)關(guān)噪聲的時(shí)域特性分析
        3.2.1 開(kāi)關(guān)振蕩噪聲的關(guān)鍵參數(shù)仿真與分析
        3.2.2 電源/地線(xiàn)上開(kāi)關(guān)噪聲的關(guān)鍵參數(shù)仿真與分析
            3.2.2.1 寄生電感對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲的影響
            3.2.2.2 電阻對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲的影響
            3.2.2.3 不同電容對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲的影響
    3.3 開(kāi)關(guān)噪聲的頻域特性分析
        3.3.1 考慮測(cè)量帶寬的頻譜計(jì)算方法
            3.3.1.1 一般的FFT計(jì)算方法
            3.3.1.2 考慮測(cè)量帶寬的FFT計(jì)算方法
        3.3.2 開(kāi)關(guān)振蕩噪聲的譜分析
        3.3.3 電源/地線(xiàn)上開(kāi)關(guān)噪聲的譜分析
    3.4 本章小結(jié)
第四章 開(kāi)關(guān)噪聲的電磁干擾傳輸特性研究
    4.1 典型傳輸路徑分析
        4.1.1 傳導(dǎo)干擾的基本傳輸路徑
        4.1.2 輻射天線(xiàn)模型與PCB等效天線(xiàn)
    4.2 基于等效路徑分析的開(kāi)關(guān)噪聲傳導(dǎo)干擾特性
        4.2.1 傳導(dǎo)干擾的頻譜包絡(luò)特性分析
        4.2.2 浮地Flyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共模傳播模型與仿真分析
        4.2.3 浮地Flyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差模傳播模型與仿真分析
    4.3 基于三維空間模型的開(kāi)關(guān)噪聲輻射干擾特性
        4.3.1 輻射干擾的頻譜包絡(luò)特性分析
        4.3.2 三維空間模型的建立與線(xiàn)性化仿真
            4.3.2.1 三維空間的PCB輻射模型
            4.3.2.2 線(xiàn)性化仿真方法
        4.3.3 輻射干擾特性的場(chǎng)仿真分析
    4.4 本章小結(jié)
第五章 開(kāi)關(guān)噪聲的電磁干擾抑制技術(shù)研究與驗(yàn)證
    5.1 開(kāi)關(guān)噪聲的EMI抑制方法與對(duì)比
    5.2 基于優(yōu)化元件參數(shù)減小開(kāi)關(guān)噪聲的應(yīng)用案例與驗(yàn)證
    5.3 基于優(yōu)化PCB布線(xiàn)改變傳輸路徑的應(yīng)用案例與驗(yàn)證
    5.4 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
致謝
參考文獻(xiàn)
博士期間取得的成果

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本文編號(hào)：2874313