前言

電力電子技術在一般工業、電力系統、電氣化交通、信息技術產業、航空航天、家用電器等方面得到了廣泛應用，并逐漸在可再生能源發電、柔性交/直流輸電、電動汽車、節能環保等方面發揮極其重要的作用。電力電子變換器在實現電能高效變換的同時，將不可避免地產生電磁能量，通過近場耦合和輸入電源線進入電網，影響其他設備的正常工作。隨著寬禁帶半導體器件的應用以及電力電子變換器功率密度的提升，電力電子變換器產生的傳導電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）越發突出，其電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）問題亟待解決。

噪聲源、耦合路徑和敏感設備是EMC的三要素，也是解決EMC問題的基本切入點。在實際產品的開發過程中，由于缺少對噪聲源頻譜特性的認識和耦合路徑傳輸特性的理解，處理EMC問題通常是反復試湊、極為耗時的過程，解決EMC問題自然地被稱為“Black Art”。為了深入認識電力電子變換器的傳導EMI特性，指導其EMC設計，需要建立電力電子變換器的傳導EMI模型、根據模型預測其傳導EMI頻譜并提出有效的抑制方法。我們研究團隊通過十多年堅持不懈、持續不斷的研究，在電力電子變換器傳導電磁干擾的建模、預測與抑制方法上已取得較為系統和深入的研究成果，在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Electronics等本領域國際重要期刊上發表了一系列論文，并且在多個領域得到成功應用。為了全面系統闡述所取得的研究成果，我們決定將它們整理成書。

本書內容共分11章，包括電力電子變換器傳導EMI的基本概念、AC-DC整流器、DC-DC變換器以及DC-AC逆變器的傳導EMI。第1章簡要介紹了EMC和EMI的基本概念，分析了電力電子變換器傳導EMI的形成原因，并回顧了電力電子變換器傳導EMI的研究現狀和關鍵問題。第2章詳細介紹了傳導EMI測試中的主要設備，介紹其工作原理，并詳細給出了EMI濾波器電路拓撲選擇依據和濾波元件參數設計方法，以及EMI濾波器的一般設計流程。第3～5章圍繞Boost PFC變換器，建立了其傳導EMI模型，并預測了不同控制方式下Boost PFC變換器的傳導EMI頻譜，從而指導EMI濾波器的設計。第3章根據Boost PFC變換器的傳導EMI產生的路徑，分析了其共模、差模和混合干擾的產生機理，給出了混合干擾的抑制方法。在此基礎上，推導了Boost PFC變換器的共模和差模干擾等效電路，給出了適合Boost PFC變換器的共模和差模濾波器結構，以及濾波器元件參數的設計方法。第4章針對平均電流控制的Boost PFC變換器，分析并給出了變換器在半個工頻周期內電感電流全連續、部分連續/斷續和全斷續三種工作模式下的輸入電壓和負載條件。采用短時傅里葉變換分析半個工頻周期內，三種工作模式下干擾電壓源諧波的PK、QP和AV值，并推導出傳導EMI諧波最惡劣的輸入電壓和負載條件，指導EMI濾波器的設計。第5章針對電流臨界連續模式（Critical Conduction Mode，CRM）控制的Boost PFC變換器，采用短時傅里葉變換分析變換器的開關管漏源極電壓以及共模和差模干擾電壓的諧波頻譜。根據EMI接收機的工作原理，進一步分析了變換器的PK、QP和AV干擾頻譜特性，并揭示了它們與共模和差模干擾諧波頻譜之間的關系。在此基礎上，給出了CRM Boost PFC變換器傳導EMI頻譜最惡劣時的輸入電壓和負載條件，以指導EMI濾波器的設計。第6～9章針對隔離型DC-DC變換器，建立了通用的共模傳導干擾模型，并提出了優化設計變壓器繞組結構、屏蔽層結構、變換器的電路結構以及引入共模電壓對消等共模傳導干擾的抑制方法，從而減小共模EMI濾波器的體積重量。第6章分析了變壓器原副邊繞組分布電容的特點，并推導了一般繞組結構情形下，變壓器集總電容的表達式，建立了通用的變壓器集總電容模型，為分析隔離型變換器的共模傳導干擾提供理論基礎。在此基礎上，推導了一般隔離型變換器的共模傳導干擾模型，提出了等效干擾源的概念。應用等效干擾源，系統地分析了變壓器繞組結構和變換器的電路結構對共模傳導干擾的影響，并揭示了具有共模干擾自然對消特性的電路拓撲。第7章圍繞變壓器的屏蔽技術，提出了將單層屏蔽技術與繞組對消方法相結合的屏蔽繞組法以及將單層屏蔽技術與無源對消方法相結合的屏蔽-無源對消復合抑制方法，進一步抑制隔離型變換器的共模傳導干擾。第8章針對采用移相控制的全橋變換器，推導了變換器的共模傳導干擾模型，指出兩橋臂中點到安全地的電壓以及諧振電感電壓是引起共模傳導干擾的電壓源?；谒⒌碾娐纺Ｐ停岢隽瞬捎脤ΨQ電路加無源對消的抑制方法，消除諧振電感電壓以及兩橋臂中點電壓引起的位移電流，有效抑制了移相控制全橋變換器的共模傳導干擾。第9章指出現有的共模干擾對消方法為并聯補償支路，根據對偶性提出了增加串聯補償支路的共模電壓對消方法，并給出了共模電壓對消方法在基本非隔離型和隔離型DC-DC變換器中的應用。第10、11章在第9章的基礎上，分別針對非隔離型DC-DC變換器和DC-AC逆變器，提出了同時抑制變換器輸入和輸出側共模電流的分裂繞組電路結構和共模電壓對消方法，提高了電磁兼容性。

本書是基于我們研究團隊的研究成果整理而成的，其中謝立宏博士和季清博士對本書前9章的內容做出了重要貢獻。本書的第10、11章是謝立宏博士在英國布里斯托大學開展博士后研究的部分成果，這些研究工作得到了原熙博教授的支持。因此他們都是本書的合作作者。已畢業的碩士生朱昊楠對研究工作也有貢獻，在此一并感謝。

本書的研究工作得到了光寶科技（廣州）有限公司南京分公司合作項目“電力電子技術之研究開發”的資助，在此表示衷心的感謝！

本書的出版得到了機械工業出版社的大力支持，責任編輯羅莉女士為本書的出版做了大量工作，特此致謝！

阮新波

2023年6月于南京航空航天大學