作者姓名：孟进
　　论文题目：电力电子系统传导干扰建模和预测方法研究
　　作者简介：孟进，男，1977年11月出生，2002年9月师从于海军工程大学马伟明教授，于2006年12月获博士学位。

　　中文摘要
　　电力电子系统的电磁兼容问题，集中体现为半导体器件的开关工作方式产生的传导性电磁干扰（EMI）。大容量、高开关频率器件的出现使得电力电子技术在人类的生产和生活领域中得到了日益广泛的应用。由于电力电子器件容量的增加以及开关速度的加快，开关动作产生的电磁干扰强度也随之增加。特别是随着电磁兼容法规的强制执行，电力电子系统传导干扰的严重性逐渐被人们所认识，对其进行准确地建模和预测已经成为电磁兼容领域的一个重点研究内容。
　　目前在传导干扰的定量预测领域，主要存在两大共性问题：一是多数预测方法仅针对特定的电力电子装置，缺乏一般性，导致预测方法通用性不强；二是多数研究采用定性或粗劣的定量分析方法，干扰幅值和频率的精度均不能满足全频段精确预测的要求，导致预测方法精确性不高。本论文在国家自然科学基金委创新研究群体科学基金“电力系统电磁兼容”（50421703）的资助下，以提高电力电子系统传导干扰的预测精度和方法通用性为目的，在传导干扰的耦合机理和定量描述方面开展了系统深入的研究，取得的创新性成果有：
　　1、完善了传导干扰关于电路描述及耦合模态的理论分析方法
　　在传导干扰研究中，为了有效地设计滤波器，通常根据耦合方式将干扰分解为差模分量和共模分量。传统的分析将干扰传播通道看作是对称和时不变的结构，认为差模分量和共模分量可以完全解耦。事实上，由于半导体器件非线性的工作方式，电力电子装置必然会出现不对称和时变的工作特性，差模分量和共模分量会相互影响而不能实现解耦，即出现一种新的混合模态分量。现有文献均没有建立这种混合模态分量的数学分析方法，因而无法从机理上给予解释。论文第二章研究了电力电子装置传导干扰的一般性电路描述方法，建立了描述干扰模态相互耦合与转化关系的数学模型，研究了电路拓扑结构对差模干扰和共模干扰的影响，发现了干扰耦合通道的不对称性是传导干扰模态相互耦合与转化的主要原因，从而揭示了混合模态电磁干扰的产生机理。以开关电源为对象的实验结果表明：共模干扰电流经过转化后会增大差模干扰，验证了混合模态干扰的物理现象。基于所建立的干扰模型，定量分析了滤波措施对混合模态干扰的抑制效果。该部分工作完善了传导干扰关于电路模型和耦合模态的数学描述问题。（代表性论文：A new technique for modeling and analysis of mixed-mode conducted EMI noise, IEEE Transactions on Power Electronics, 2004;  带整流桥输入级的开关电源差模干扰特性，电工技术学报，2006）
　　2、提出了适合于工程应用的干扰模型及参数确定方法
　　传导干扰预测的前提是获得干扰源和干扰耦合通道的数学描述，目前常用的描述方法可分为数值计算方法和实验测量方法。传统的数值计算模型复杂且计算量大，而且难于掌握规律；实验测量方法的通用性不强，限制了其实用化。基于此，论文第三章提出了基本耦合模型的新思想：从电路的角度来理解，就是指预测干扰所必须考虑且由最少元件组成的数学模型。应用所提出的思想，以AC/DC变换器为对象研究了干扰耦合模态的辨识方法，确定了主导性耦合干扰的传播通道。根据不同性质干扰的传播方式，分别提出了干扰源和干扰耦合通道模型的实验测定方法，建立了主导性干扰的基本耦合模型，利用测试结果对数学模型的准确性进行了验证。研究发现，所提出的建模方法可以准确地把握电力电子装置干扰源和干扰耦合通道特性，结合所提出的模型参数确定方法，可较快地对电力电子装置的EMI抑制措施进行定量分析，有效缩短滤波器的设计周期。（代表性论文：Identification of essential coupling path models for conducted EMI prediction in switching power converters, IEEE Transactions on Power Electronics, 2006;  Noise source lumped circuit modeling and identification for power converters, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006）
　　3、建立了电力电子器件全频段的干扰源模型
　　在传导干扰的定量计算中，通常将开关器件的干扰源模型用周期性梯形脉冲波表示。但实际上开关器件在开通和关断过程所表现的暂态行为要复杂的多，并不能用简化的梯形电压和电流波形来替代。现有文献对开关器件的处理过于简单，均忽略了对开关过渡过程的详细建模，得到的结果必然丢失开关暂态所呈现的高频信息，这是产生误差的主要原因，但都没有从源头上得到解决。为了提高传导干扰计算模型在高频段的精度，论文第四章详细研究了电力电子器件开关暂态过程对干扰频域特性的影响。指出了现有开关暂态建模方法的缺陷，导出了一个重要的判据公式，对电力电子器件开关暂态模型的有效频率范围进行了界定。从研究开关器件的行为特性入手，首次提出了一种基于多段折线逼近开关暂态过程的建模方法，突破了传统的干扰源模型在高频段预测精确差的限制。以基于IGBT器件的直流变换器为对象进行了实验研究，结果表明：所提出的建模方法在0.15~10MHz频率范围的误差均小于6dB。该研究成果成功地解决了传导干扰高频段精确计算的难题，适用于电力电子装置传导干扰全频段的预测分析。（代表性论文：Multiple slope switching waveform approximation to improve conducted EMI spectral analysis of power converters, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2006;  Power converter EMI analysis including IGBT nonlinear switching transient model, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006）
　　4、提出了电力电子系统回路耦合干扰的理论分析方法
　　电力电子系统是一个多回路电路，每个回路都可能存在多种性质的干扰源，这些回路之间的电磁场耦合也是电磁干扰的传播方式之一。为了准确地预测系统级电磁干扰的传播特性，需要对回路耦合干扰进行定量计算。20世纪70年代由Ruehli提出的部分单元等效电路模型为求解多导体的电磁场耦合问题提供了一套通用的分析方法，但该理论主要针对小尺寸的集成电路的互联结构建模，不能直接适用于大尺寸、高功率的电力电子系统。论文第五章将部分单元等效电路的部分电感理论引入到电力电子系统中来，研究了电磁干扰的回路耦合及共地耦合的传播特性。针对回路之间通过空间磁场形成的感性耦合，基于互联导线的部分互感得到了回路耦合的数学模型。通过将地阻抗分解为内部阻抗和外部电感的组合形式，建立了接地回路在金属壳体上形成的地阻抗的数学模型，正确阐明了地电流的作用机理。以一套钢板壳体接地系统为对象，分别研究了差模干扰和共模干扰的回路耦合特性，测试结果验证了数学模型的正确性。该研究成果对分析和解决设备之间、系统内部的电磁干扰耦合问题具有很强的工程应用价值。（基于所提出的回路耦合干扰的分析理论，成功解决了我国海军潜艇电力系统电磁干扰的重大技术难题，是2006年度军队科技进步一等奖的获奖成果之一，作者为第四获奖人。代表性论文：基于部分电感模型的回路耦合干扰研究，中国电机工程学报，2007）
　　5、建立了PWM变换单元传导干扰通用的数学模型
　　电力电子系统中大量使用的PWM变换单元是电磁干扰的主要来源。对于这类装置，由于脉宽调制策略的多样性以及开关器件的数目众多，目前没有通用的解析方法，都是通过时域仿真结合快速傅立叶变换得到干扰频谱，计算耗时长且无法获得系统参数的作用规律。论文第六章引入双重傅里叶积分变换方法，将电力电子PWM调制过程用双变量共同作用的双重积分表示，实现了PWM变换单元传导干扰的数学描述。分别建立了正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制、断续脉宽调制单元干扰的数学模型，确定了不同PWM调制方式对传导干扰的影响规律。以典型的工业产品为对象，对PWM变频驱动系统的传导干扰进行了详细的理论分析与实验研究，对比结果表明：理论分析的误差小于6dB，完全满足电磁兼容工程设计的要求。该研究成果突破了传统时域仿真计算耗时长、积累误差大的限制，得到了一种通用的数学解析方法，为基于PWM技术的电力电子系统传导干扰研究给出了一个较为完善的理论框架。（应用本部分内容提出的理论方法，对我国首条采用PWM全电力推进系统的舰船进行了研究，发现外方引进系统存在严重的电磁干扰隐患，设计方德国西门子公司认可了我们的研究结论，免费为该船的电力推进系统加装了一套EMI滤波装置。代表性论文：考虑PWM调制策略的逆变器共模和差模干扰源模型，电工技术学报，2007；  PWM变频驱动系统传导干扰的高频模型，中国电机工程学报，2008）
　　本论文的研究内容，丰富和完善了传导电磁干扰的定量预测理论，是国家自然科学基金委创新研究群体科学基金项目“电力系统电磁兼容”（50421703）的重要组成部分。以论文的理论成果作为内容之一进行延伸，作者与导师和张磊博士合作撰写了《独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容》专著，已由北京科学出版社出版。

　　关键词：电磁兼容；传导干扰；电力电子系统；基本耦合模型；开关暂态模型；部分单元等效电路；双重傅里叶积分