电力电子变换器传导电磁干扰的建模、预测与抑制方法 阮新波 谢立宏 季清 原熙博

当前电力电子技术正朝着高频、高速、集成化、大功率化方向发展，有些高频大功率设备会产生强电磁场辐射，电磁环境日益复杂，电磁干扰问题日益突出，另一方面各种产品（特别是电动汽车）对可靠性的要求越来越高，电磁兼容已经成为了研究人员在设计过程中必须考虑的问题。本专著是电力电子领域专家南航阮新波教授领衔编写，书中融入大量作者团队在实际工程及研究领域遇到的电磁兼容性问题进行探讨并给出解决方案。

本书阐明了电力电子变换器传导电磁干扰的形成机理、传递路径及其危害，并建立了AC-DC整流器、DC-DC变换器和DC-AC逆变器的传导电磁干扰模型，为预测和抑制其传导电磁干扰提供基础。针对Boost PFC变换器，分别预测了在平均电流控制和临界电流连续控制方式下的传导电磁干扰频谱特性，给出了电磁干扰滤波器的设计依据。针对隔离型DC-DC变换器，提出了优化设计变压器绕组结构、屏蔽层结构、变换器的电路结构以及引入共模电压对消等方法来抑制其共模传导干扰，从而减小共模电磁干扰滤波器的体积重量。针对非隔离型DC-DC变换器和DC-AC逆变器，引入了共模电压对消以同时抑制其输入和输出侧共模电流，提高了电磁兼容性。
本书是一本理论分析与工程设计相结合的专著，可作为高校电力电子技术专业及相关专业的硕士生、博士生和教师的参考书，也可供从事航空航天电源、服务器电源、电动汽车车载充电器、电动汽车电驱系统、可再生能源发电等方面研究开发的工程技术人员参考使用。

阮新波，男，1970年出生。1991年和1996年在南京航空航天大学分别获得电气技术专业学士学位和电力电子技术专业博士学位。1996年6月起留校任教，2002年破格晋升为教授。2007年8月至10月在香港理工大学电子与资讯系担任Research Fellow，2008年至2011年受聘为长江学者特聘教授，在华中科技大学电气与电子工程学院工作。现为南京航空航天大学自动化学院副院长。

他长期从事电力电子与电力传动方面的研究，研究领域包括功率电子变换技术、航空航天电源、新能源供电系统和电力电子系统集成。他主持了国家自然科学杰出青年科学基金1项、重点项目1项和面上项目4项、江苏省自然科学基金（创新人才）和霍英东教育基金会高等院校青年教师基金各1项以及其他项目80多项。获得高校自然科学奖一等奖2项，获得省部级科技进步奖二等奖2项、三等奖3项（所有获奖均排名第一）；获得中国发明专利47项，美国专利2项；在科学出版社出版中文专著7部，在Wiley出版社出版英文专著1部，在Springer出版社各出版英文专著2部，出版电力电子技术教材1部，在国内外期刊和重要会议上发表论文300多篇，其中被SCI收录150余篇、EI收录近200多篇。

他是IEEE Fellow (2016) 、“长江学者”特聘教授(2007) 、国家杰出青年科学基金获得者(2015) 、中组部“万人计划”领军人才(2016) 、国家科技部”创新人才推进计划”中青年科技创新领军人才”(2014) ，是享受国务院特殊津贴专家。他从2014年开始每年均入选 Elesevier(爱思维尔)中国高被引作者榜单，入选新世纪优秀人才支持计划，是江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人培养人选、江苏省“333高层次人才培养工程”第二层次培养对象。他荣获全国优秀科技工作者、中国航空学会青年科技奖、江苏省十大优秀专利发明人、江苏省新长征突击手标兵、江苏省第三期“333工程”突出贡献奖、中达学者等荣誉称号 ，2012年被IEEE Transactions on Industrial Electronics授予杰出贡献奖，2018年和2019年被IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics (JESTPE)授予最佳副主编奖。

阮新波教授曾担任中国电源学会第五、六届理事会副理事长，2017年再次担任中国电源学会副理事长，2014年~2016年担任IEEE Industrial Electronics Society可再生能源系统技术委员会副主席。2005年~2018年担任中国电源学会直流电源专业委员会主任、学术工作委员会副主任，担任IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Electronics、IEEE Transactions on Circuits and Systems –II、IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics和IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society等五份国际重要学术期刊的副主编，是电工技术学报和中国电机工程学报编委，电源学报编委会常务副主任、副主编；担任IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE) 2015年会议程序委员会联合主席、2020年Tutorial Committee Chair，IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference – ECCE Asia (IPEMC) 2009年会议秘书长、2012年会议程序委员会联合主席、2016年会议国内指导委员会副主席，2017年会议程序委员会联合主席、2019年会议程序委员会联合主席、2020年会议大会主席，IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE) 2010年会议Publicity Chair和2012年会议Tutorial Chair、2019年可再生电力能源变换，处理和存储专题Track Chair， IEEE Industrial Electronics Society年会(IECON)2016年高效率直流变换器专题主席、2017年功率电子学专题主席，IEEE Power Electronics Application Conference (PEAC) 2018年会议Tutorial Committee Chair。

电力电子新技术系列图书序言
前言
第1章绪论1
1.1电磁兼容（EMC）和电磁干扰（EMI）概述1
1.1.1EMC的基本概念1
1.1.2传导和辐射电磁干扰2
1.2电力电子变换器的传导EMI4
1.3 AC-DC整流器的传导EMI6
1.4DC-DC变换器的共模传导干扰10
1.4.1DC-DC变换器共模传导干扰的建模10
1.4.2DC-DC变换器原始共模传导干扰的抑制方法11
1.5DC-AC逆变器的共模传导干扰17
1.6本章小结19
参考文献19
第2章传导EMI测试原理与EMI滤波器设计25
2.1传导EMI的测试原理25
2.1.1传层EMI的测试框图和测试方式25
2.1.2线性阻抗稳定网络26
2.1.3共模干扰和差模干扰分离测试26
2.1.4EMI接收机测试原理28
2.2电力电子变换器的EMI滤波器设计32
2.2.1EMI滤波器的电路结构32
2.2.2EMI滤波器的设计流程35
2.3本章小结36
参考文献37
第3章Boost PFC变换器的混合干扰抑制及共模和差模干扰等效电路39
3.1Boost PFC变换器的共模和差模干扰39
3.1.1Boost PFC变换器的传导EMI路径和混合干扰的抑制39
3.1.2Boost PFC变换器的共模和差模等效电路43
3.2Boost PFC变换器的EMI滤波器结构及参数设计方法46
3.2.1Boost PFC变换器的共模滤波器46
3.2.2Boost PFC变换器的差模滤波器46
3.2.3适合Boost PFC变换器的EMI滤波器46
3.3本章小结48
参考文献48
第4章平均电流控制Boost PFC变换器的传导EMI频谱预测及EMI滤波器设计49
4.1平均电流控制Boost PFC变换器的工作模式49
4.2不同工作模式下开关管漏源极电压波形52
4.2.1开关周期内开关管漏源极电压的波形52
4.2.2工频周期内占空比与vDS波形55
4.3不同工作模式下变换器的传导EMI最恶劣频谱57
4.3.1平均电流控制Boost PFC变换器传导EMI频谱特性57
4.3.2变换器工作于全连续模式时的传导EMI特性58
4.3.3部分CCM/DCM和全DCM模式时的传导EMI特性60
4.4变换器的EMI滤波器设计的关键谐波64
4.5实验验证和讨论65
4.5.1原理样机参数65
4.5.2实验结果65
4.6本章小结72
参考文献73
第5章CRM Boost PFC变换器的传导EMI频谱预测及EMI滤波器设计74
5.1CRM Boost PFC变换器的传导EMI频谱74
5.1.1变换器的工作原理74
5.1.2变换器的传导EMI电压源频谱76
5.1.3变换器的共模和差模干扰频谱77
5.1.4变换器传导EMI的PK、QP和AV值频谱78
5.2CRM Boost PFC变换器的传导EMI最恶劣频谱81
5.2.1PK和QP值频谱的最大边界81
5.2.2依据QP值频谱的最大边界设计EMI滤波器84
5.3实验验证和讨论86
5.3.1样机参数86
5.3.2实验结果87
5.4本章小结91
参考文献92
第6章隔离型DC-DC变换器共模传导干扰的建模93
6.1隔离型变换器共模干扰的传递路径93
6.2一种通用的变压器集总电容模型94
6.2.1变压器原副边绕组分布电容的特性94
6.2.2流过变压器原副边绕组分布电容的位移电流94
6.2.3变压器的通用集总电容模型97
6.3基本隔离型DC-DC变换器的共模传导干扰模型98
6.3.1反激变换器的共模传导干扰模型98
6.3.2其他基本隔离型DC-DC变换器的共模传导干扰模型100
6.4具有共模干扰自然对消特性的基本隔离型DC-DC变换器105
6.5实验验证和讨论107
6.5.1变压器集总电容模型的实验验证107
6.5.2共模传导干扰模型的实验验证109
6.6本章小结113
参考文献113
第7章基于屏蔽技术的隔离型DC-DC变换器共模传导干扰的抑制方法115
7.1变压器屏蔽技术115
7.1.1单层屏蔽技术115
7.1.2双层屏蔽技术116
7.2消除位移电流的条件与方法117
7.2.1消除位移电流的条件117
7.2.2副边绕组和屏蔽层平均电位的一般表达式117
7.2.3消除位移电流的方法119
7.3屏蔽绕组法121
7.3.1屏蔽绕组与副边绕组的结合121
7.3.2屏蔽绕组法的应用122
7.4屏蔽-平衡绕组法的应用127
7.4.1屏蔽-平衡绕组法适用的副边整流电路127
7.4.2平衡绕组匝数和屏蔽层E点角度的计算127
7.5复合屏蔽-无源对消法128
7.5.1基本原理128
7.5.2复合屏蔽-无源对消法的应用129
7.6实验验证131
7.6.1屏蔽绕组法131
7.6.2屏蔽-平衡绕组法133
7.6.3复合屏蔽-无源对消法135
7.7本章小结137
参考文献137
第8章移相控制全桥变换器的共模传导干扰抑制方法139
8.1移相控制全桥变换器的共模干扰模型139
8.1.1共模干扰模型的推导139
8.1.2两电容Cae和Cbe的推导过程141
8.1.3共模干扰模型的简化143
8.2消除谐振电感电压影响的对称电路方法144
8.2.1采用对称谐振电感144
8.2.2采用对称变压器144
8.3消除两桥臂中点电压影响的无源对消方法147
8.3.1实现方式Ⅰ148
8.3.2实现方式Ⅱ149
8.4对称电路和无源对消电路相结合的必要性分析150
8.4.1只采用对称电路151
8.4.2只加无源对消电路152
8.5实验验证和讨论153
8.5.1样机参数153
8.5.2实验结果154
8.6本章小结157
参考文献158
第9章抑制直流变换器共模传导干扰的共模电压对消方法159
9.1共模干扰对消方法的并联和串联实现方式159
9.2共模电压对消方法在非隔离型变换器中的应用161
9.3共模电压对消方法在隔离型变换器中的应用163
9.4共模电压对消方法在实际应用中的考虑167
9.4.1输入电流的限制167
9.4.2共模电流对主电路的影响168
9.4.3平衡电容168
9.4.4绕组间容性耦合的影响170
9.4.5漏感的影响170
9.5实验验证和讨论171
9.5.1Buck变换器171
9.5.2半桥LLC谐振变换器174
9.6本章小结176
参考文献177
第10章非隔离型变换器输入和输出侧的共模电流抑制方法178
10.1考虑输入和输出侧共模阻抗的共模传导干扰模型178
10.2Buck变换器的分裂绕组电路结构180
10.2.1分裂绕组电路结构的推导180
10.2.2变换器的工作原理181
10.2.3原电路结构与分裂绕组结构的绕组总窗口面积的比较182
10.3考虑绕组实际耦合情形的电路平衡条件184
10.4分裂绕组电路结构在其他非隔离型直流变换器中的应用185
10.5实验验证和讨论187
10.6本章小结190
参考文献191
第11章抑制逆变器系统输入和输出侧共模电流的共模电压对消方法192
11.1逆变器系统的共模传导干扰模型192
11.2输入和输出侧共模干扰抑制方法的推导194
11.3共模电压对消方法在实际应用中的考虑197
11.3.1输入和输出电流的限制197
11.3.2加入平衡电容197
11.3.3共模变压器寄生参数的影响198
11.4共模电压对消方法与现有共模干扰对消方法的对比200
11.5实验验证和讨论202
11.5.1共模电压采样电路与补偿电压注入电路的测试204
11.5.2共模电流抑制效果的实验验证205
11.6本章小结208
参考文献208

电力电子技术在一般工业、电力系统、电气化交通、信息技术产业、航空航天、家用电器等方面得到了广泛应用，并逐渐在可再生能源发电、柔性交/直流输电、电动汽车、节能环保等方面发挥极其重要的作用。电力电子变换器在实现电能高效变换的同时，将不可避免地产生电磁能量，通过近场耦合和输入电源线进入电网，影响其他设备的正常工作。随着宽禁带半导体器件的应用以及电力电子变换器功率密度的提升，电力电子变换器产生的传导电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）越发突出，其电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）问题亟待解决。
噪声源、耦合路径和敏感设备是EMC的三要素，也是解决EMC问题的基本切入点。在实际产品的开发过程中，由于缺少对噪声源频谱特性的认识和耦合路径传输特性的理解，处理EMC问题通常是反复试凑、极为耗时的过程，解决EMC问题自然地被称为“Black Art”。为了深入认识电力电子变换器的传导EMI特性，指导其EMC设计，需要建立电力电子变换器的传导EMI模型、根据模型预测其传导EMI频谱并提出有效的抑制方法。我们研究团队通过十多年坚持不懈、持续不断的研究，在电力电子变换器传导电磁干扰的建模、预测与抑制方法上已取得较为系统和深入的研究成果，在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Electronics等本领域国际重要期刊上发表了一系列论文，并且在多个领域得到成功应用。为了全面系统阐述所取得的研究成果，我们决定将它们整理成书。
本书内容共分11章，包括电力电子变换器传导EMI的基本概念、ACDC整流器、DCDC变换器以及DCAC逆变器的传导EMI。第1章简要介绍了EMC和EMI的基本概念，分析了电力电子变换器传导EMI的形成原因，并回顾了电力电子变换器传导EMI的研究现状和关键问题。第2章详细介绍了传导EMI测试中的主要设备，介绍其工作原理，并详细给出了EMI滤波器电路拓扑选择依据和滤波元件参数设计方法，以及EMI滤波器的一般设计流程。第3～5章围绕Boost PFC变换器，建立了其传导EMI模型，并预测了不同控制方式下Boost PFC变换器的传导EMI频谱，从而指导EMI滤波器的设计。第3章根据Boost PFC变换器的传导EMI产生的路径，分析了其共模、差模和混合干扰的产生机理，给出了混合干扰的抑制方法。在此基础上，推导了Boost PFC变换器的共模和差模干扰等效电路，给出了适合Boost PFC变换器的共模和差模滤波器结构，以及滤波器元件参数的设计方法。第4章针对平均电流控制的Boost PFC变换器，分析并给出了变换器在半个工频周期内电感电流全连续、部分连续/断续和全断续三种工作模式下的输入电压和负载条件。采用短时傅里叶变换分析半个工频周期内，三种工作模式下干扰电压源谐波的PK、QP和AV值，并推导出传导EMI谐波最恶劣的输入电压和负载条件，指导EMI滤波器的设计。第5章针对电流临界连续模式（Critical Conduction Mode，CRM）控制的Boost PFC变换器，采用短时傅里叶变换分析变换器的开关管漏源极电压以及共模和差模干扰电压的谐波频谱。根据EMI接收机的工作原理，进一步分析了变换器的PK、QP和AV干扰频谱特性，并揭示了它们与共模和差模干扰谐波频谱之间的关系。在此基础上，给出了CRM Boost PFC变换器传导EMI频谱最恶劣时的输入电压和负载条件，以指导EMI滤波器的设计。第6～9章针对隔离型DCDC变换器，建立了通用的共模传导干扰模型，并提出了优化设计变压器绕组结构、屏蔽层结构、变换器的电路结构以及引入共模电压对消等共模传导干扰的抑制方法，从而减小共模EMI滤波器的体积重量。第6章分析了变压器原副边绕组分布电容的特点，并推导了一般绕组结构情形下，变压器集总电容的表达式，建立了通用的变压器集总电容模型，为分析隔离型变换器的共模传导干扰提供理论基础。在此基础上，推导了一般隔离型变换器的共模传导干扰模型，提出了等效干扰源的概念。应用等效干扰源，系统地分析了变压器绕组结构和变换器的电路结构对共模传导干扰的影响，并揭示了具有共模干扰自然对消特性的电路拓扑。第7章围绕变压器的屏蔽技术，提出了将单层屏蔽技术与绕组对消方法相结合的屏蔽绕组法以及将单层屏蔽技术与无源对消方法相结合的屏蔽无源对消复合抑制方法，进一步抑制隔离型变换器的共模传导干扰。第8章针对采用移相控制的全桥变换器，推导了变换器的共模传导干扰模型，指出两桥臂中点到安全地的电压以及谐振电感电压是引起共模传导干扰的电压源。基于所建立的电路模型，提出了采用对称电路加无源对消的抑制方法，消除谐振电感电压以及两桥臂中点电压引起的位移电流，有效抑制了移相控制全桥变换器的共模传导干扰。第9章指出现有的共模干扰对消方法为并联补偿支路，根据对偶性提出了增加串联补偿支路的共模电压对消方法，并给出了共模电压对消方法在基本非隔离型和隔离型DCDC变换器中的应用。第10、11章在第9章的基础上，分别针对非隔离型DCDC变换器和DCAC逆变器，提出了同时抑制变换器输入和输出侧共模电流的分裂绕组电路结构和共模电压对消方法，提高了电磁兼容性。
本书是基于我们研究团队的研究成果整理而成的