[发明专利]利用有限元对功率变换单元磁场辐射发射进行分析的方法

说明书

一种利用有限元对功率变换单元磁场辐射发射进行分析的方法，包括以下步骤：识别功率变换单元的基本换流回路；获取各基本换流回路在分析工况下的回路电流波形，对该波形进行频谱分析，获取关注频段范围内回路电流各次谐波的幅值与相位分布；建立导电导磁器件的功率变换单元磁场三维有限元分析模型，并对功率半导体器件和被动器件进行模型简化与等效；依次在各关注频点处对基本换流回路模型进行扫频涡流场分析，获取各回路在各频点处的磁场辐射发射矢量分布；对各基本换流回路的磁场辐射发射矢量进行空间矢量叠加，获取各关注频点处产生的总磁场辐射发射矢量分布。该方法能够高效、快速地分析功率变换单元磁场辐射发射的特性，模型规模和计算量小。

技术领域

本发明涉及电磁兼容领域，具体涉及一种利用有限元对功率变换单元磁场辐射发射进行分析的方法。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，高频大功率电力电子变换装置逐渐深入到船舶、航天、通信、医疗以及军工等领域。通过多个分布式、模块化的功率变换单元进行串并联来组成较大功率变换器的方式，能够实现设计的标准化和多样化，提高系统整体的稳定性、可靠性和灵活性，成为近年来高频大功率电力电子变换装置研究发展的热点。

然而，功率密度的增大、工作频率的提高导致了功率变换装置内部电磁环境越来越复杂，对自身及周围其他装备的安全可靠运行产生了潜在危害，同时加剧了电磁环境的污染。目前国家颁布了GJB151B-2013 等一系列电磁兼容性标准，强制规范了相关设备的电磁兼容性要求，其中RE101项给出了25Hz～100kHz磁场辐射发射的测试方法和限值要求，是其中达标和整改难度较大的测试项目。

电力电子变换装置产生电磁干扰的根本原因是功率半导体器件在高频开关的方式下工作，主电路电压、电流的快速变化产生大量的高次谐波，高频谐波电流通过闭合回路向周围空间辐射电磁能量，形成强电磁干扰。功率变换单元中主要的磁场辐射发射源包括：(1)由功率半导体器件构成的高频换流回路；(2)电感器、变压器等磁性器件漏磁；(3) 功率变换单元的输入输出引线电缆；(4)散热器等。

由于磁场辐射发射干扰源和发射机理复杂、覆盖频率范围宽，精确的数学建模和表征困难，目前与磁场辐射发射分析模拟相关的方法和资料十分有限；利用商用有限元分析软件针对全三维结构进行瞬态磁场仿真的方法，模型复杂、计算量大、效率低，很难快速有效地模拟功率变换单元换流过程的影响。

发明内容

本发明的目的是：针对当前大功率电力电子变换装置中功率变换单元磁场辐射发射分析方法不完善、建模困难、计算效率和精度不高的技术短板，通过分析功率变换单元主电路拓扑和基本换流回路谐波与空间分布特征，建立包括汇流母排、散热器、磁性器件、机箱壳体在内的功率变换单元磁场空间等效三维有限元分析模型，分别计算各个回路与频段下磁场矢量分布，并通过矢量叠加的方式快速有效地模拟功率变换单元换流过程中高频换流回路对磁场辐射发射的影响，以辅助功率变换单元器件布局结构设计与电磁兼容性设计，提升设计的有效性、降低研发成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用有限元对功率变换单元磁场辐射发射进行分析的方法包括如下步骤：步骤1：分析功率变换单元主电路拓扑结构和换流过程，识别功率变换单元的基本换流回路；

步骤2：通过电路分析方法获取各基本换流回路在分析工况下的回路电流波形，利用快速傅里叶变换对该波形进行频谱分析，获取关注频段范围内回路电流各次谐波的幅值与相位分布；

步骤3：依据各基本换流回路电流的通流路径，建立包括汇流母排、散热器、磁性器件在内的导电导磁器件的功率变换单元磁场三维有限元分析模型，并对包括功率半导体器件，电阻、电容的被动器件进行模型简化与等效；

步骤4：利用有限元分析方法，依次在各关注频点处对基本换流回路模型进行扫频涡流场分析，获取各回路在各频点处的磁场辐射发射矢量分布；