一种碳化硅电机驱动系统辐射EMI建模方法及预测辐射方法

本发明属于电力电子，尤其涉及一种碳化硅电机驱动系统辐射emi建模方法及模型。

背景技术：

1、随着以碳化硅(siliconcarbide，sic)金属-氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)为代表的新型宽禁带功率半导体器件的成熟应用，为电机驱动系统的效率、功率密度等关键性能获得数量级提高提供了。基于新型半导体器件的电机驱动系统在航空航天、轨道交通以及新能源汽车等诸多领域得到了广泛关注并快速应用。相对于传统硅基mosfet，sicmosfet具有更快的开关速率、更低的开关损耗和更高的开关频率。这些特性给电机驱动系统带来了诸多优势。然而，sicmosfet过快的开关速率会引发开关过程中出现较大的过电压、过电流以及明显的电压、电流振荡，也加剧了电磁干扰(electromagneticinterference，emi)强度；另一方面，电机驱动系统内部复杂的阻抗网络为高频谐波分量提供了有效的传播路径，所产生的电磁兼容(electromagneticcompatibility，emc)问题，增加了系统可靠性设计的难度。

2、现有技术主要关注电缆天线的等效驱动机制以及电缆近场发射的计算。他们没有调查功率转换器内部的细节，因此现有技术没有揭示基于电力电子电路、印刷电路板(pcb)布局和开关波形的机制。它们不能直接用于帮助电力电子工程师优化布局和降低辐射emi。本发明将从转换器工作原理、pcb布局和开关波形方面对电源转换器的辐射emi模型进行更深入的理解和详细分析。

3、对于具有长连接电源线的电力电子系统，电源逆变器的行为就像噪声源，连接的电源线的行为就像天线。功率半导体器件的开关在电缆上产生励磁电压。激励电压驱动电缆天线并产生用于emi辐射的共模(cm)电流。

4、现有文献基于分布式赫兹偶极子电流段产生的电场的叠加来预测电力电缆上的cm电流引起的辐射emi。然而，没有公开功率转换器中辐射emi产生的机制，也没有为转换器设计开发降低辐射emi的技术。

5、cm噪声源行为模型是根据论文中的cm电流和cm阻抗等外部参数重建的。然而，这些行为模型是黒盒模型，物理意义有限，因此无法揭示功率转换器中重要的噪声产生和降低机制。

6、现有技术没有揭示基于电力电子电路、印刷电路板(pcb)布局和开关波形的机制。没有明确逆变器中辐射emi产生的机制，也没有为逆变器设计开发降低辐射emi的技术。

7、现有技术面临的主要技术问题可以大致归纳为以下几点：

8、1)未深入调查功率转换器内部细节：现有的技术主要关注电缆天线的等效驱动机制和电缆近场发射的计算，但并没有深入研究功率转换器内部的工作原理和细节。这限制了对电源转换器辐射电磁干扰(emi)模型的全面理解。

9、2)缺乏基于电力电子电路、pcb布局和开关波形的机制研究：现有技术没有揭示这些因素对辐射emi的影响，这些因素在实际应用中会对emi产生重要影响。

10、3)缺乏降低辐射emi的设计技术：现有的技术中并没有明确提供逆变器设计中的降低辐射emi的技术，这会在实际应用中导致emi问题。

11、4)共模(cm)噪声源行为模型的局限性：现有的cm噪声源行为模型，虽然可以根据外部参数(如cm电流和cm阻抗)进行重建，但这些行为模型往往是黑盒模型，其物理意义有限，无法揭示功率转换器中重要的噪声产生和降低机制。

12、这些问题和缺陷会影响电源逆变器的性能和可靠性，为电力电子工程师优化布局和降低辐射emi带来困难。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种碳化硅电机驱动系统辐射emi建模方法及模型。

2、本发明是这样实现的，一种碳化硅电机驱动系统辐射emi建模方法，包括以下步骤：

3、步骤一，根据电路拓扑、印刷电路板(pcb)寄生效应、开关波形和传递函数开发和量化电机驱动系统的辐射emi模型；

4、步骤二，基于天线阻抗和天线传递函数，为逆变器电缆开发了天线模型；

5、步骤三，基于逆变器的emi模型和电缆的天线模型开发了完整的辐射emi模型。

6、进一步，将逆变器的pcb导入hfss有限元仿真软件并对其添加输入输出线缆，然后将hfss模型导入ansyssimplorer进行场路联合仿真。

7、进一步，对逆变器的辐射emi噪声源进行建模，建立考虑pcb走线的寄生阻抗后逆变器的电路模型。

8、进一步，pcb走线的阻抗使用ansysq3d提取。

9、进一步，将输入输出线缆建模为天线，天线两端的激励电压va为辐射emi的噪声源。

10、进一步，在逆变电路中，va计算为：

11、

12、式中vao、vbo、vco为节点a、b、c对串联输入电容中点o的电压。

13、进一步，逆变器上桥臂的mosfet用电流源id代替，电流波形与mosfet相同；下桥臂的mosfet用电压源vsw代替，具有和mosfet相同的电压波形；vao、vbo、vco的电压基于叠加定理进行计算，获得vsw与id对va的贡献。

14、进一步，对于距离天线r远处最大辐射电场强度emax计算为：

15、emax＝gva·|va|

16、式中gva是天线传递函数。

17、进一步，将逆变器加线缆的辐射仿真模型中的被测设备(逆变器pcb)替换为理想信号源，并将逆变器侧的输入输出线缆短路，通过理想信号源产生激励电压来测量辐射emi，得到辐射emi的频谱后再计算激励电压的频谱，最后通过式

18、emax＝gva·|va|

19、计算得到gva。

20、本发明的另一目的在于提供一种碳化硅电机驱动系统辐射emi模型，该模型可以预测辐射emi并揭示pcb布局寄生对辐射emi的影响。

21、发明的另一目的在于提供一种碳化硅电机驱动系统辐射emi预测方法，包括以下步骤：

22、步骤1，将逆变器pcb导入ansysq3d提取走线阻抗，再测量实际工况下逆变器mosfet的电流与电压波形，并计算其频谱，再根据pcb走线阻抗计算出天线激励电压；

23、步骤2，在微波暗室中测量实际工况下的逆变器辐射emi，再将逆变器替换为信号发生器，将输入输出线缆的逆变侧端短路，并将信号发生器产生的激励电压连接到线缆端子，然后测量此时的辐射emi并计算出天线传递函数；

24、步骤3，最后根据

25、emax＝gva·|va|

26、计算得到预测的辐射emi值并于实验结果进行对比。

27、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

28、第一，本发明提供一种适用于碳化硅mosfet电机驱动系统的辐射emi建模方法，根据电路拓扑、印刷电路板(pcb)寄生效应、开关波形和传递函数开发和量化电机驱动系统的辐射emi模型；基于天线阻抗和天线传递函数，为逆变器电缆开发了天线模型；基于逆变器的emi模型和电缆的天线模型开发了完整的辐射emi模型。

29、第二，本发明基于sicmosfet的电机驱动系统开发并量化了具有明确物理意义的辐射emi模型，本发明的模型可以预测辐射emi并揭示pcb布局寄生对辐射emi的影响；该模型可以帮助电力电子工程师在转换器设计阶段预测辐射emi。本发明研究了逆变器中输入和输出电缆之间的电压引起的辐射电磁干扰(emi)。首先根据电路拓扑、印刷电路板(pcb)寄生效应、开关波形和传递函数开发和量化逆变器的辐射emi模型。其次，基于天线阻抗和天线传递函数，为转换器电缆开发了天线模型。第三，基于转换器的emi模型和电缆的天线模型开发了完整的辐射emi模型。第四，基于开发的模型对辐射emi进行了分析。

30、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：国内在解决辐射emi问题上往往是将产品生产出来后再进行实验测试，通过反复整改以满足辐射emi测试标准的要求。此过程会产生昂贵的测试费用，大幅增加研发成本。而本发明能在设计阶段实现辐射em的预测，对存在的辐射em超标定量估计和模拟分析，及时提出有效的辐射抑制手段，就可避免系统建成后因emc问题而带来经济投入上的成本损失。

31、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：国内外对电机驱动系统传导干扰的产生机理和预测方法进行了大量研究，针对辐射干扰的预测方法研究较少。由于辐射干扰传播机制复杂，电机驱动系统又涉及复杂机电设备的辐射场建模与计算，相对于传导干扰电压或电流的预测难度较大，辐射场预测精度也难以控制，缺乏较为成熟的辐射干扰系统级预测方法。因此，研究电机驱动系统辐射干扰的建模及计算、实现系统辐射干扰的有效预测具有重要的理论意义和工程应用价值。