作為功率電子系統(tǒng)的核心,功率驅(qū)動電路采用半導(dǎo)體開關(guān)器件,其開關(guān)變化產(chǎn)生的開關(guān)噪聲尤為突出,由此引起的電磁干擾(EMI)問題會使系統(tǒng)無法滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,甚至不能正常工作,并對其他電路系統(tǒng)造成影響。隨著功率電子系統(tǒng)向高速度、高集成、高電壓、大電流等趨勢發(fā)展,EMI問題會更加嚴(yán)重。然而,由于開關(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EMI影響程度。因此,對功率驅(qū)動電路中開關(guān)噪聲及電磁干擾特性研究至關(guān)重要。本文以功率驅(qū)動電路中的典型電路結(jié)構(gòu)單開關(guān)管電路和推挽結(jié)構(gòu)電路為研究對象,發(fā)光二極管照明(LED)驅(qū)動電路和等離子顯示(PDP)驅(qū)動電路為實際案例,重點研究開關(guān)噪聲非線性模型、時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)動電路電磁干擾的方法。本文主要創(chuàng)新點如下：1、建立了基于狀態(tài)變量描述法的開關(guān)噪聲非線性模型。采用狀態(tài)變量描述法克服了傳統(tǒng)建模方法中沒有全面地考慮開關(guān)器件非線性的問題,并清晰地描述了相關(guān)參數(shù)與開關(guān)噪聲之間的解析關(guān)系,仿真和測試結(jié)果驗證了不同條件下模型的準(zhǔn)確性�；谒Ｐ�,利用時域波形分解法及考慮測量帶寬的頻譜計算方法提取了開關(guān)噪聲的高頻特征。2、建立了開關(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關(guān)器件的不同開關(guān)狀態(tài),通過三維數(shù)值仿真進(jìn)行了功率驅(qū)動電路中對地等效電容、輸入濾波電容、開關(guān)器件極間電容等參數(shù)對EMI影響程度的定量分析,彌補了時域電路模型不能準(zhǔn)確判斷關(guān)鍵參數(shù)的問題,為EMI抑制提供了依據(jù)。3、實現(xiàn)了基于三維空間模型的驅(qū)動電路全波電磁仿真。針對功率驅(qū)動電路工作頻率與仿真頻率差距大的特殊性,采用線性化仿真方法顯著縮短了仿真時長,重點分析了印刷電路板(PCB)表面電流分布、高頻電流環(huán)路面積、高頻電流幅值、輸入/輸出電纜長度等對遠(yuǎn)場輻射強度的影響。4、根據(jù)上述分析,從減小開關(guān)噪聲、改變傳輸路徑兩個角度,分別優(yōu)化驅(qū)動電路中浮地電容、限流電阻等關(guān)鍵器件參數(shù)及PCB關(guān)鍵路徑布線的方法對兩個應(yīng)用案例進(jìn)行定量設(shè)計和測試驗證。實測結(jié)果表明,將等離子顯示(PDP)驅(qū)動電路中開關(guān)噪聲控制在總電源電壓10%以下,噪聲峰值從191V下降至154V,近場輻射干擾平均降低約8dBμV,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性并使其滿足了產(chǎn)品EMI限定要求；將發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動電路中傳導(dǎo)干擾水平降低約21dBμV,使其滿足了EN55022標(biāo)準(zhǔn)限值要求。本文從理論分析、定量仿真及實驗驗證三個層面,對功率驅(qū)動電路中開關(guān)噪聲的非線性模型、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)計方法,并通過應(yīng)用案例完成了測試驗證。本文工作為系統(tǒng)深入地研究功率驅(qū)動電路系統(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)動系統(tǒng)設(shè)計提供了理論及實踐指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN303
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 功率驅(qū)動電路概述及電磁干擾問題
    1.2 開關(guān)噪聲與電磁干擾國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 EMI組織機構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)體系
    1.4 本文研究內(nèi)容和創(chuàng)新點
第二章 功率驅(qū)動電路開關(guān)噪聲產(chǎn)生機理
    2.1 功率開關(guān)器件的非線性特性
        2.1.1 MOSFET器件非線性特性
        2.1.2 IGBT器件非線性特性
    2.2 PCB跡線的寄生電感
    2.3 單開關(guān)管電路的開關(guān)振蕩噪聲
    2.4 推挽結(jié)構(gòu)電路的電源/地線上開關(guān)噪聲
    2.5 本章小結(jié)
第三章 開關(guān)噪聲建模及其特性研究
    3.1 開關(guān)噪聲的非線性建模與分析
        3.1.1 單管結(jié)構(gòu)開關(guān)噪聲的建模與驗證
            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 模型對比驗證
        3.1.2 推挽結(jié)構(gòu)開關(guān)噪聲的建模與驗證
            3.1.2.1 推挽PDP驅(qū)動電路工作原理及狀態(tài)分析
            3.1.2.2 推挽PDP驅(qū)動電路的電源/浮地上噪聲模型
            3.1.2.3 模型對比驗證
    3.2 開關(guān)噪聲的時域特性分析
        3.2.1 開關(guān)振蕩噪聲的關(guān)鍵參數(shù)仿真與分析
        3.2.2 電源/地線上開關(guān)噪聲的關(guān)鍵參數(shù)仿真與分析
            3.2.2.1 寄生電感對開關(guān)噪聲的影響
            3.2.2.2 電阻對開關(guān)噪聲的影響
            3.2.2.3 不同電容對開關(guān)噪聲的影響
    3.3 開關(guān)噪聲的頻域特性分析
        3.3.1 考慮測量帶寬的頻譜計算方法
            3.3.1.1 一般的FFT計算方法
            3.3.1.2 考慮測量帶寬的FFT計算方法
        3.3.2 開關(guān)振蕩噪聲的譜分析
        3.3.3 電源/地線上開關(guān)噪聲的譜分析
    3.4 本章小結(jié)
第四章 開關(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 輻射天線模型與PCB等效天線
    4.2 基于等效路徑分析的開關(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性化仿真
            4.3.2.1 三維空間的PCB輻射模型
            4.3.2.2 線性化仿真方法
        4.3.3 輻射干擾特性的場仿真分析
    4.4 本章小結(jié)
第五章 開關(guān)噪聲的電磁干擾抑制技術(shù)研究與驗證
    5.1 開關(guān)噪聲的EMI抑制方法與對比
    5.2 基于優(yōu)化元件參數(shù)減小開關(guān)噪聲的應(yīng)用案例與驗證
    5.3 基于優(yōu)化PCB布線改變傳輸路徑的應(yīng)用案例與驗證
    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：2874313