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電力電子技術的高速發(fā)展對功率半導體器件的功率等級、開關頻率和響應速度的要求越來越高。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體器件由于具有更好的開關特性，成為研究和應用中的熱點。但是，寬禁帶半導體器件更快的開關速度，會引起空間電磁場更加劇烈的變化，由此產(chǎn)生的負面影響之一就是更加嚴重的電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）。

EMI問題有三個要素：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關過程中的EMI問題，此時干擾源主要為電力電子開關過程中的瞬變電磁脈沖；傳播路徑主要為沿導線傳導、近場耦合和遠場輻射三種，并依據(jù)傳播途徑的不同將EMI分為傳導、近場耦合、遠場輻射三種。

敏感元部件主要為電路中的電容、電感，控制信號回路，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)動控制回路與電磁能量回路距離近等因素，導致電力電子裝置中EMI問題突出，經(jīng)常帶來異常脈沖、裝置損壞等嚴重的后果。

在研究EMI方面研究人員已經(jīng)做了很多工作。在傳導和近場耦合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行建模，使用傅里葉分析的方法在頻域上進行研究。所使用的EMI抑制方法，也多為立足于電路分析的無源濾波器、有源濾波器、為噪聲電流提供通路的電路拓撲設計及副邊諧振技術等。

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、預測方法，建模時多利用帶雜散參數(shù)的電路模型、天線模型等。總的來說，現(xiàn)有的研究側重于EMI的建模、預測和抑制，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)電氣設備的EMI問題不同，電力電子系統(tǒng)的EMI問題根源是功率半導體器件的開關瞬態(tài)過程，其本質(zhì)上是一個電磁能量瞬變問題，變換形式為脈沖型，傳輸載體和路徑對近場耦合和遠場輻射EMI來說是空間電磁場，對傳導EMI來說可以認為是沿電路導體的電壓電流，但其物理本質(zhì)也是電磁。這三個特點決定了傳統(tǒng)上從信號傳播、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問題的本質(zhì)特點和規(guī)律。

因此，清華大學科研團隊從能量脈沖和電磁場瞬變過程的角度，對電磁場和載流子場耦合作用下的電力電子系統(tǒng)電磁脈沖進行建模分析，為開關瞬態(tài)過程EMI機理的研究建立三維電磁場數(shù)值模型。

圖1所選取的電力電子變換單元物理模型

該建模過程有三個難點：①由開關瞬態(tài)情形的特殊性決定了模型方程的復雜性；②模型的強非線性；③瞬態(tài)變化的快速性?？蒲腥藛T針對這三個難點問題，建立了有效的三維電磁場數(shù)值模型，解算了微納秒級開關瞬態(tài)過程中功率器件內(nèi)部和空間中電磁場的分布和變化情況，并從數(shù)值計算和原理分析兩個角度驗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EMI進行機理研究提供了有效的工具。

科研人員以包含碳化硅MOSFET和二極管的互鎖開關、電容和負載的電路為例，給出了從物理模型向數(shù)值模型的轉換、對電磁脈沖的建模、解算結果的可視化表征、分析及正確性驗證的全過程，并從電磁場角度初步觀察提煉了EMI現(xiàn)象，從正確性和應用價值方面證明了該數(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、電磁場與載流子場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EMI現(xiàn)象，有利于對EMI產(chǎn)生、傳播及影響電路的機理進行深層次的研究。

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，未來將基于該模型繼續(xù)深化研究，提煉總結電力電子開關瞬態(tài)過程EMI的機理，形成數(shù)學和物理層面的表征方法，更好地從理論層面為面向?qū)嶋H應用的工作提供指導。

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