作者姓名：孟進(jìn)
　　論文題目：電力電子系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾建模和預(yù)測(cè)方法研究
　　作者簡(jiǎn)介：孟進(jìn)，男，1977年11月出生，2002年9月師從于海軍工程大學(xué)馬偉明教授，于2006年12月獲博士學(xué)位。

　　中文摘要
　　電力電子系統(tǒng)的電磁兼容問題，集中體現(xiàn)為半導(dǎo)體器件的開關(guān)工作方式產(chǎn)生的傳導(dǎo)性電磁干擾（EMI）。大容量、高開關(guān)頻率器件的出現(xiàn)使得電力電子技術(shù)在人類的生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于電力電子器件容量的增加以及開關(guān)速度的加快，開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度也隨之增加。特別是隨著電磁兼容法規(guī)的強(qiáng)制執(zhí)行，電力電子系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的嚴(yán)重性逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確地建模和預(yù)測(cè)已經(jīng)成為電磁兼容領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。
　　目前在傳導(dǎo)干擾的定量預(yù)測(cè)領(lǐng)域，主要存在兩大共性問題：一是多數(shù)預(yù)測(cè)方法僅針對(duì)特定的電力電子裝置，缺乏一般性，導(dǎo)致預(yù)測(cè)方法通用性不強(qiáng)；二是多數(shù)研究采用定性或粗劣的定量分析方法，干擾幅值和頻率的精度均不能滿足全頻段精確預(yù)測(cè)的要求，導(dǎo)致預(yù)測(cè)方法精確性不高。本論文在國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金“電力系統(tǒng)電磁兼容”（50421703）的資助下，以提高電力電子系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的預(yù)測(cè)精度和方法通用性為目的，在傳導(dǎo)干擾的耦合機(jī)理和定量描述方面開展了系統(tǒng)深入的研究，取得的創(chuàng)新性成果有：
　　1、完善了傳導(dǎo)干擾關(guān)于電路描述及耦合模態(tài)的理論分析方法
　　在傳導(dǎo)干擾研究中，為了有效地設(shè)計(jì)濾波器，通常根據(jù)耦合方式將干擾分解為差模分量和共模分量。傳統(tǒng)的分析將干擾傳播通道看作是對(duì)稱和時(shí)不變的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為差模分量和共模分量可以完全解耦。事實(shí)上，由于半導(dǎo)體器件非線性的工作方式，電力電子裝置必然會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱和時(shí)變的工作特性，差模分量和共模分量會(huì)相互影響而不能實(shí)現(xiàn)解耦，即出現(xiàn)一種新的混合模態(tài)分量?，F(xiàn)有文獻(xiàn)均沒有建立這種混合模態(tài)分量的數(shù)學(xué)分析方法，因而無法從機(jī)理上給予解釋。論文第二章研究了電力電子裝置傳導(dǎo)干擾的一般性電路描述方法，建立了描述干擾模態(tài)相互耦合與轉(zhuǎn)化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，研究了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)差模干擾和共模干擾的影響，發(fā)現(xiàn)了干擾耦合通道的不對(duì)稱性是傳導(dǎo)干擾模態(tài)相互耦合與轉(zhuǎn)化的主要原因，從而揭示了混合模態(tài)電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理。以開關(guān)電源為對(duì)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：共模干擾電流經(jīng)過轉(zhuǎn)化后會(huì)增大差模干擾，驗(yàn)證了混合模態(tài)干擾的物理現(xiàn)象。基于所建立的干擾模型，定量分析了濾波措施對(duì)混合模態(tài)干擾的抑制效果。該部分工作完善了傳導(dǎo)干擾關(guān)于電路模型和耦合模態(tài)的數(shù)學(xué)描述問題。（代表性論文：A?new?technique?for?modeling?and?analysis?of?mixed-mode?conducted?EMI?noise,?IEEE?Transactions?on?Power?Electronics,?2004;??帶整流橋輸入級(jí)的開關(guān)電源差模干擾特性，電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006）
　　2、提出了適合于工程應(yīng)用的干擾模型及參數(shù)確定方法
　　傳導(dǎo)干擾預(yù)測(cè)的前提是獲得干擾源和干擾耦合通道的數(shù)學(xué)描述，目前常用的描述方法可分為數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法。傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算模型復(fù)雜且計(jì)算量大，而且難于掌握規(guī)律；實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的通用性不強(qiáng)，限制了其實(shí)用化?；诖?，論文第三章提出了基本耦合模型的新思想：從電路的角度來理解，就是指預(yù)測(cè)干擾所必須考慮且由最少元件組成的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用所提出的思想，以AC/DC變換器為對(duì)象研究了干擾耦合模態(tài)的辨識(shí)方法，確定了主導(dǎo)性耦合干擾的傳播通道。根據(jù)不同性質(zhì)干擾的傳播方式，分別提出了干擾源和干擾耦合通道模型的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法，建立了主導(dǎo)性干擾的基本耦合模型，利用測(cè)試結(jié)果對(duì)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，所提出的建模方法可以準(zhǔn)確地把握電力電子裝置干擾源和干擾耦合通道特性，結(jié)合所提出的模型參數(shù)確定方法，可較快地對(duì)電力電子裝置的EMI抑制措施進(jìn)行定量分析，有效縮短濾波器的設(shè)計(jì)周期。（代表性論文：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、建立了電力電子器件全頻段的干擾源模型
　　在傳導(dǎo)干擾的定量計(jì)算中，通常將開關(guān)器件的干擾源模型用周期性梯形脈沖波表示。但實(shí)際上開關(guān)器件在開通和關(guān)斷過程所表現(xiàn)的暫態(tài)行為要復(fù)雜的多，并不能用簡(jiǎn)化的梯形電壓和電流波形來替代?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)開關(guān)器件的處理過于簡(jiǎn)單，均忽略了對(duì)開關(guān)過渡過程的詳細(xì)建模，得到的結(jié)果必然丟失開關(guān)暫態(tài)所呈現(xiàn)的高頻信息，這是產(chǎn)生誤差的主要原因，但都沒有從源頭上得到解決。為了提高傳導(dǎo)干擾計(jì)算模型在高頻段的精度，論文第四章詳細(xì)研究了電力電子器件開關(guān)暫態(tài)過程對(duì)干擾頻域特性的影響。指出了現(xiàn)有開關(guān)暫態(tài)建模方法的缺陷，導(dǎo)出了一個(gè)重要的判據(jù)公式，對(duì)電力電子器件開關(guān)暫態(tài)模型的有效頻率范圍進(jìn)行了界定。從研究開關(guān)器件的行為特性入手，首次提出了一種基于多段折線逼近開關(guān)暫態(tài)過程的建模方法，突破了傳統(tǒng)的干擾源模型在高頻段預(yù)測(cè)精確差的限制。以基于IGBT器件的直流變換器為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：所提出的建模方法在0.15~10MHz頻率范圍的誤差均小于6dB。該研究成果成功地解決了傳導(dǎo)干擾高頻段精確計(jì)算的難題，適用于電力電子裝置傳導(dǎo)干擾全頻段的預(yù)測(cè)分析。（代表性論文：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、提出了電力電子系統(tǒng)回路耦合干擾的理論分析方法
　　電力電子系統(tǒng)是一個(gè)多回路電路，每個(gè)回路都可能存在多種性質(zhì)的干擾源，這些回路之間的電磁場(chǎng)耦合也是電磁干擾的傳播方式之一。為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)系統(tǒng)級(jí)電磁干擾的傳播特性，需要對(duì)回路耦合干擾進(jìn)行定量計(jì)算。20世紀(jì)70年代由Ruehli提出的部分單元等效電路模型為求解多導(dǎo)體的電磁場(chǎng)耦合問題提供了一套通用的分析方法，但該理論主要針對(duì)小尺寸的集成電路的互聯(lián)結(jié)構(gòu)建模，不能直接適用于大尺寸、高功率的電力電子系統(tǒng)。論文第五章將部分單元等效電路的部分電感理論引入到電力電子系統(tǒng)中來，研究了電磁干擾的回路耦合及共地耦合的傳播特性。針對(duì)回路之間通過空間磁場(chǎng)形成的感性耦合，基于互聯(lián)導(dǎo)線的部分互感得到了回路耦合的數(shù)學(xué)模型。通過將地阻抗分解為內(nèi)部阻抗和外部電感的組合形式，建立了接地回路在金屬殼體上形成的地阻抗的數(shù)學(xué)模型，正確闡明了地電流的作用機(jī)理。以一套鋼板殼體接地系統(tǒng)為對(duì)象，分別研究了差模干擾和共模干擾的回路耦合特性，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。該研究成果對(duì)分析和解決設(shè)備之間、系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾耦合問題具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。（基于所提出的回路耦合干擾的分析理論，成功解決了我國海軍潛艇電力系統(tǒng)電磁干擾的重大技術(shù)難題，是2006年度軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)成果之一，作者為第四獲獎(jiǎng)人。代表性論文：基于部分電感模型的回路耦合干擾研究，中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007）
　　5、建立了PWM變換單元傳導(dǎo)干擾通用的數(shù)學(xué)模型
　　電力電子系統(tǒng)中大量使用的PWM變換單元是電磁干擾的主要來源。對(duì)于這類裝置，由于脈寬調(diào)制策略的多樣性以及開關(guān)器件的數(shù)目眾多，目前沒有通用的解析方法，都是通過時(shí)域仿真結(jié)合快速傅立葉變換得到干擾頻譜，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)且無法獲得系統(tǒng)參數(shù)的作用規(guī)律。論文第六章引入雙重傅里葉積分變換方法，將電力電子PWM調(diào)制過程用雙變量共同作用的雙重積分表示，實(shí)現(xiàn)了PWM變換單元傳導(dǎo)干擾的數(shù)學(xué)描述。分別建立了正弦脈寬調(diào)制、空間矢量脈寬調(diào)制、斷續(xù)脈寬調(diào)制單元干擾的數(shù)學(xué)模型，確定了不同PWM調(diào)制方式對(duì)傳導(dǎo)干擾的影響規(guī)律。以典型的工業(yè)產(chǎn)品為對(duì)象，對(duì)PWM變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比結(jié)果表明：理論分析的誤差小于6dB，完全滿足電磁兼容工程設(shè)計(jì)的要求。該研究成果突破了傳統(tǒng)時(shí)域仿真計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、積累誤差大的限制，得到了一種通用的數(shù)學(xué)解析方法，為基于PWM技術(shù)的電力電子系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾研究給出了一個(gè)較為完善的理論框架。（應(yīng)用本部分內(nèi)容提出的理論方法，對(duì)我國首條采用PWM全電力推進(jìn)系統(tǒng)的艦船進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)外方引進(jìn)系統(tǒng)存在嚴(yán)重的電磁干擾隱患，設(shè)計(jì)方德國西門子公司認(rèn)可了我們的研究結(jié)論，免費(fèi)為該船的電力推進(jìn)系統(tǒng)加裝了一套EMI濾波裝置。代表性論文：考慮PWM調(diào)制策略的逆變器共模和差模干擾源模型，電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007；??PWM變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的高頻模型，中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008）
　　本論文的研究?jī)?nèi)容，豐富和完善了傳導(dǎo)電磁干擾的定量預(yù)測(cè)理論，是國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目“電力系統(tǒng)電磁兼容”（50421703）的重要組成部分。以論文的理論成果作為內(nèi)容之一進(jìn)行延伸，作者與導(dǎo)師和張磊博士合作撰寫了《獨(dú)立電力系統(tǒng)及其電力電子裝置的電磁兼容》專著，已由北京科學(xué)出版社出版。

　　關(guān)鍵詞：電磁兼容；傳導(dǎo)干擾；電力電子系統(tǒng)；基本耦合模型；開關(guān)暫態(tài)模型；部分單元等效電路；雙重傅里葉積分