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开关电源传导EMI模型的无源器件建模及频谱计算

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导师姓名
张健穹
学科专业
物理电子学
文献出处
西南交通大学   2019年
关键词
变压器论文  滤波器论文  中频带宽论文  传导模型论文  近场耦合论文
论文摘要

开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。开关电源在实现高频化、小型化的同时,也带来了很多问题,其中一个最重要问题就是在电源工作时存在高频的开关动作,导致的电压、电流的快速变化,会在开关电源模块内部产生较强的谐波干扰和尖峰干扰,这些干扰信号会通过线路中的寄生电感和寄生电容,耦合到另外的设备或系统中,对其正常工作造成严重的影响。因此,建立开关电源的传导EMI(electromagnetic interference)模型,对开关电源的传导发射分析与抑制具有重要的意义。本文针对开关电源传导EMI模型的不完善,对开关电源中的变压器、EMI滤波器的模型,以及考虑频谱分析仪中频带宽的快速傅里叶变换算法展开了研究。首先,对开关电源传导EMI模型中的变压器模型展开了研究。理论分析了差模干扰与共模干扰在变压器上的传输路径,指出变压器模型的端口阻抗表征了差模干扰路径的阻抗,而绕组间的共模有效电容反映了共模干扰的传输路径。介绍并改进了一种能在传导干扰频段内准确描述变压器端口阻抗的模型,分析并计算了考虑变压器绕组实际电位分布的共模有效电容,提出了一个在传导干扰频率范围内共模/差模通用的变压器模型,给出了模型中所有参数的计算方法,并通过阻抗分析仪的测试验证了所提出模型的准确性。然后,对大功率三相共模EMI滤波器的等效电路模型开展了研究。在传统EMI滤波器建模方法的基础上,考虑了滤波器内部的近场耦合,建立了相应的共模模型。理论分析并仿真计算了影响滤波器性能的关键近场耦合参数,采用有限元仿真软件提取PCB走线寄生参数,基于阻抗分析仪测试,分析并建立了三相共模电感、差模电感、电容的高频模型。使用矢量网络分析仪测试了实际EMI滤波器的共模插入损耗验证了该模型的准确性,并探讨了电磁耦合参数对滤波器共模插入损耗的影响。最后,对考虑频谱分析仪中频带宽的FFT变换进行了研究。分析了频谱分析仪的工作流程,指出在基于FFT(fast Fourier transformation)计算传导EMI的频谱时,为了获得与频谱分析仪测试一致的结果,考虑中频带宽的必要性。介绍了一种考虑频谱分析仪中频带宽的FFT算法,运用汉宁窗函数模拟频谱分析仪中频带通滤波器的特性,使用Matlab编写了考虑频谱分析仪中频带宽的FFT算法,计算了一个周期矩形脉冲信号的频谱,并利用频谱分析仪测试了该信号的频谱对计算结果进行了验证。

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