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電力電子技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)功率半導(dǎo)體器件的功率等級(jí)、開(kāi)關(guān)頻率和響應(yīng)速度的要求越來(lái)越高。在這樣的要求下，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件由于具有更好的開(kāi)關(guān)特性，成為研究和應(yīng)用中的熱點(diǎn)。但是，寬禁帶半導(dǎo)體器件更快的開(kāi)關(guān)速度，會(huì)引起空間電磁場(chǎng)更加劇烈的變化，由此產(chǎn)生的負(fù)面影響之一就是更加嚴(yán)重的電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）。

EMI問(wèn)題有三個(gè)要素：干擾源、傳播路徑和敏感元部件。本研究成果聚焦于電力電子開(kāi)關(guān)過(guò)程中的EMI問(wèn)題，此時(shí)干擾源主要為電力電子開(kāi)關(guān)過(guò)程中的瞬變電磁脈沖；傳播路徑主要為沿導(dǎo)線傳導(dǎo)、近場(chǎng)耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射三種，并依據(jù)傳播途徑的不同將EMI分為傳導(dǎo)、近場(chǎng)耦合、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射三種。

敏感元部件主要為電路中的電容、電感，控制信號(hào)回路，以及附近其他弱電裝置等。由于電力電子裝置中存在較大的di/dt、dv/dt，驅(qū)動(dòng)控制回路與電磁能量回路距離近等因素，導(dǎo)致電力電子裝置中EMI問(wèn)題突出，經(jīng)常帶來(lái)異常脈沖、裝置損壞等嚴(yán)重的后果。

在研究EMI方面研究人員已經(jīng)做了很多工作。在傳導(dǎo)和近場(chǎng)耦合EMI方面，主要集中于EMI的建模和抑制方法研究，多利用高頻下的等效電路模型進(jìn)行建模，使用傅里葉分析的方法在頻域上進(jìn)行研究。所使用的EMI抑制方法，也多為立足于電路分析的無(wú)源濾波器、有源濾波器、為噪聲電流提供通路的電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)及副邊諧振技術(shù)等。

在輻射EMI方面的研究還較少，目前工作多集中于研究輻射EMI的建模、預(yù)測(cè)方法，建模時(shí)多利用帶雜散參數(shù)的電路模型、天線模型等?？偟膩?lái)說(shuō)，現(xiàn)有的研究側(cè)重于EMI的建模、預(yù)測(cè)和抑制，使用的研究方法多為等效電路模型、等效偶極子輻射模型及頻域分析等。

與傳統(tǒng)電氣設(shè)備的EMI問(wèn)題不同，電力電子系統(tǒng)的EMI問(wèn)題根源是功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程，其本質(zhì)上是一個(gè)電磁能量瞬變問(wèn)題，變換形式為脈沖型，傳輸載體和路徑對(duì)近場(chǎng)耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射EMI來(lái)說(shuō)是空間電磁場(chǎng)，對(duì)傳導(dǎo)EMI來(lái)說(shuō)可以認(rèn)為是沿電路導(dǎo)體的電壓電流，但其物理本質(zhì)也是電磁。這三個(gè)特點(diǎn)決定了傳統(tǒng)上從信號(hào)傳播、正弦周期量變換和集總參數(shù)等效電路角度研究EMI的方法難以揭示電力電子系統(tǒng)EMI問(wèn)題的本質(zhì)特點(diǎn)和規(guī)律。

因此，清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)從能量脈沖和電磁場(chǎng)瞬變過(guò)程的角度，對(duì)電磁場(chǎng)和載流子場(chǎng)耦合作用下的電力電子系統(tǒng)電磁脈沖進(jìn)行建模分析，為開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程EMI機(jī)理的研究建立三維電磁場(chǎng)數(shù)值模型。

圖1所選取的電力電子變換單元物理模型

該建模過(guò)程有三個(gè)難點(diǎn)：①由開(kāi)關(guān)瞬態(tài)情形的特殊性決定了模型方程的復(fù)雜性；②模型的強(qiáng)非線性；③瞬態(tài)變化的快速性?？蒲腥藛T針對(duì)這三個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，建立了有效的三維電磁場(chǎng)數(shù)值模型，解算了微納秒級(jí)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中功率器件內(nèi)部和空間中電磁場(chǎng)的分布和變化情況，并從數(shù)值計(jì)算和原理分析兩個(gè)角度驗(yàn)證了所建模型的正確性，為從電力電子系統(tǒng)的物理本質(zhì)出發(fā)對(duì)EMI進(jìn)行機(jī)理研究提供了有效的工具。

科研人員以包含碳化硅MOSFET和二極管的互鎖開(kāi)關(guān)、電容和負(fù)載的電路為例，給出了從物理模型向數(shù)值模型的轉(zhuǎn)換、對(duì)電磁脈沖的建模、解算結(jié)果的可視化表征、分析及正確性驗(yàn)證的全過(guò)程，并從電磁場(chǎng)角度初步觀察提煉了EMI現(xiàn)象，從正確性和應(yīng)用價(jià)值方面證明了該數(shù)值解算的有效性。與傳統(tǒng)電路理論相比，本數(shù)值解算方法建立了電路、電磁場(chǎng)與載流子場(chǎng)的耦合作用下的三維模型，不僅考慮了更全面的物理因素，而且能更直觀、本質(zhì)地刻畫(huà)EMI現(xiàn)象，有利于對(duì)EMI產(chǎn)生、傳播及影響電路的機(jī)理進(jìn)行深層次的研究。

科研人員在利用該數(shù)值模型研究EMI方面僅做了初步探索，未來(lái)將基于該模型繼續(xù)深化研究，提煉總結(jié)電力電子開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程EMI的機(jī)理，形成數(shù)學(xué)和物理層面的表征方法，更好地從理論層面為面向?qū)嶋H應(yīng)用的工作提供指導(dǎo)。

以上研究成果發(fā)表在2021年第11期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“電力電子系統(tǒng)電磁干擾數(shù)值建模分析”，作者為賈圣鈺、趙爭(zhēng)鳴 等。