團隊介紹

盧鐵兵，華北電力大學教授，博士生導師。研究方向為電磁環境和先進輸電技術，主要進行直流輸電線路電暈放電及其電磁環境效應、柔性輸電系統的電磁暫態和電磁兼容研究。主持4項國家自然科學基金、1項國家重點研發計劃課題，獲省部級獎勵3項。

黃華震，華北電力大學博士研究生，研究方向為電力電子器件的EMI特性及抑制措施。

項目研究背景

IGBT逐漸成為電力電子的主流器件，在直流輸電工程等領域都得到了廣泛應用。然而，IGBT器件開關過程會產生快速變化的電壓和電流，其上升沿和下降沿包含很多高頻成分，通過傳導和輻射耦合會產生不可忽略的電磁干擾（EMI）問題。隨著柔性直流輸電技術和電網建設的發展，更高電壓、更大容量的IGBT會帶來更為復雜的EMI問題。

建立有效的電磁干擾模型預測換流系統的電磁干擾水平是非常必要的。IGBT的快速開關動作是功率換流器電磁干擾的主要來源，而開關過程的di/dt和du/dt是決定電磁干擾發射水平的關鍵參數。此外，回路中寄生電感與電容的相互作用會在IGBT開關過程中引入高頻振蕩，使得EMI問題更為嚴重。

論文所解決的問題及意義

本文按照不同的時間階段對IGBT的開關暫態波形進行建模分析，分別計算了不同階段的di/dt和du/dt。為了有效地反映寄生振蕩現象對EMI特性的影響，模型中考慮了IGBT的開通振蕩過程。通過實驗，驗證了電壓電流分段模型可有效用于IGBT開關過程的EMI特性預測，并分析了寄生振蕩和柵極-集電極電容Cgc對頻譜特性的影響。

本文提出的干擾源模型與實際換流器模型相結合，可以有效分析換流器在不同應用條件下的EMI水平，評估換流器的電磁兼容性能。

論文方法及創新點

IGBT開關過程在不同階段的di/dt和du/dt會對EMI水平有不同程度的影響。建立了IGBT的開關暫態過程詳細模型，分階段計算了IGBT的電壓和電流變化率。電流模型考慮了詳細的電流開通振蕩過程，建立了時域波形與振蕩頻點附近EMI峰值的關聯關系。電壓上升過程受到器件柵極-集電極電容的影響，通過合理考慮精度與復雜度的平衡，電容分階段離散模型可用于電壓上升率的有效分析。

圖1 IGBT分段開關波形

搭建了二極管鉗位感性負載測試平臺，獲得了IGBT的開關暫態波形，驗證了模型對實測電流和電壓波形頻譜的預測精度。寄生振蕩會對電流波形頻譜的高頻分量造成較大的影響，不考慮振蕩的電流模型頻譜會丟失振蕩頻點出現的電流頻譜峰值。分段電壓模型的頻譜在4-40MHz頻率范圍內比實際波形高出幾dB到10dB，這主要是由Cgc的差異造成的，通過增加Cgc模型的分段數可以提高模型的預測精度，同時也增加了模型復雜度，因此建議采用三段等效模型。實驗驗證了模型的有效性。

圖2 實驗與模型的頻譜對比

結論

（1）分段電流模型與IGBT實際電流頻譜差異很小，能夠有效地預測電流特性，合理考慮電流頻譜在振蕩頻點出現的峰值，對振蕩引入的EMI峰值進行預判。

（2）分段電壓模型能夠有效地預測IGBT實際電壓頻譜特性。采用多個離散電容等效Cgc會顯著提高實際電壓頻譜的預測精度，但是也提高了模型的復雜程度。三段Cgc等效模型可有效分析IGBT電壓騷擾特性。

引用本文

黃華震, 仝涵, 王寧燕, 盧鐵兵. 考慮寄生振蕩的IGBT分段暫態模型對電磁干擾預測的影響分析[J]. 電工技術學報, 2021, 36(12): 2434-2445. Huang Huazhen, Tong Han, Wang Ningyan, Lu Tiebing. Analysis of the Influence of IGBT Segmented Transient Model with Parasitic Oscillation on Electromagnetic Interference Prediction. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2434-2445.