基于开关瞬态过程分析的大容量变换器杂散参数抽取方法
电快速瞬变脉冲群(EFTB)综述
电快速瞬态突发 (EFT/B) 概述在同一电源电路中，多种设备在运行过程中会产生瞬态脉冲，对设备造成干扰。
这种干扰以脉冲群的形式出现，具有脉冲上升时间短、重复率高、能量低、光谱分布等特点。
较宽等特性，相当于一系列具有陡峭前沿的脉冲群，称为电快速瞬态突发干扰（EFT/B）。
为达到有效抑制EFT/B干扰的目的，本文从总结EFT/B的形成机理入手，应用建模方法给出了产生EFT/B的等效电路模型和破除EFT/B的方法。
-负载变压器。
通过相应的测试方法开发和测试了一个仿真模型。
通过仿真与实测结果的对比，验证了所提方法的合理性。
最后总结了抑制 EFT/B 以降低电磁干扰 (EMI) 的方法。
关键词电快速瞬变脉冲串；等效电路；抑制方法；审查简介/背景各种电磁干扰影响各种自动化设备，如继电保护、监控装置以及其他基于微电子和计算机技术的设备，这些设备对电磁感应、辐射和电路传导等方式的干扰更加敏感。
当干扰水平超过设备的逻辑元件和逻辑电路的抗干扰水平时，会导致设备的逻辑电路工作异常或程序运行不正常，从而使整个设备无法正常工作。
电快速瞬变/突发 (EFT/B) 是对微机保护装置最敏感的干扰之一。
国外实验研究结果表明，变电站开关的合闸和合闸过程会引起EFT/B扰动。
EFT/B 扰动的上升时间为纳秒级，持续时间从几微秒到几十毫秒。
高达相电压幅度的数倍。
在现代电子设计初期，为了通过仿真评估产品的电磁兼容性能，需要对设计对象进行电气快速瞬态突发抗扰度测试。
当 EFT/B 干扰电平超过器件逻辑元件和逻辑电路的抗干扰电平时，会导致器件工作异常或程序运行不正确。
因此，如何使各种电器、电子设备或系统在同一电磁环境中正常工作，互不干扰，如何使开关电源中EFT/ B噪声的传播显着降低，以实现所谓的因此，电磁兼容技术日益发展，对抑制EFT/B的研究也越来越多。
早些年，国际标准IEC 1000-4-4将EFT的相关参数定义为：电压幅值、单脉冲上升时间、单脉冲脉冲宽度、脉冲串持续时间、脉冲串重复频率和脉冲串周期等...但也有一些不合适的地方，比如实际电磁环境中电磁脉冲组的重复频率从10KHz到1MHz，但由于当时元器件水平有限，标准规定参数值为5KHz和2.5KHz .如今，国际标准IEC61000-4-4和国家标准GB/T1 9626.4对EFT/B骚扰电压的上升时间、持续时间和脉冲重复频率都有统一规定，如图1所示。
昂宝变压器设计
匝比还决定这次级整流二极管的反向耐压值 Vd = Vo + Vin(max) / n
匝比的选取
匝比决定着初级的MOSFET的电压应力 Vmos = Vin(max) + n*(Vo + Vf)
由左图可知，增 大匝比会使开关 MOSFET的Vds 电压应力增大， Snubber电路的 损耗也加大，从 而影响电源的整 体效率。
变压器的绕制技术
绕组的绝缘
当绕完一个绕组之后，绕组 需要将线折回到进线端的骨 架定位脚时，需要先包1-2层 胶带进行绝缘，然后才将线 折过来。 且线尽量以90度左右的角度 折弯，以尽量满足对匝数精 度的要求。 绕线为了满足安规对绝缘的 要求，一般加挡墙或使用三 重绝缘线，且各绕组之间加 高强度的绝缘胶带。
注意：
在进线与出线的边沿，特别是多股 线同时绕制时，由于漆包线的折弯， 造成占用的空间比正常绕组一圈时 大
变压器的绕制技术
尽量绕满整数层
在计算好变压器匝数与线径直之后，接下来需要根据骨架宽度与深 度验算是否能容纳下所有的绕组，此时需要考虑漆包线的外径，挡 墙宽度，绝缘胶带厚度，折线厚度等因素。 当发现绕组不是整数层时，就需要调整匝数或线径以满足单个绕组 为整数层的要求，因为小数层绕组(特别处在最里层时)容易造成后 续的绕组不平整，从而影响绕线的分布参数与绝缘强度。
变压器的绕制技术
单层圈数的计算：
在计算单层圈数时，是通 过骨架宽度除以漆包线的 外径，得到的值需要将小 数点以后的数值舍去，并 需要减去一圈作为进出线 的余量。 例：EFD30的幅宽是20mm， 假如初级线径是0.5mm(外 径则为0.55mm)，那么可 以绕制最多的圈数是 20mm/0.55mm-1=35.36 取整之后为35T
全软开关SEPIC变换器损耗分析
全软开关SEPIC变换器损耗分析摘要：本文基于全软开关SEPIC直流开关变换器，着重分析其工作过程中功率开关管、续流二极管产生的各种损耗，最终得出结论，由于软开关的介入，可以将极大地减小开关电路中各元件产生的损耗，提高变换器的效率，有广泛的应用前景。
关键词：SEPIC变换器软开关损耗效率Loss Analysis of An Soft Switching SEPIC ConverterSUN Xinfeng（The Detachment of Warship Training，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）Abstract: Based on an soft-switching SEPIC DC-DC converter, the loss of the power switch and the freewheeling diode are analysised. Finally we can find out that thanks to adding the soft switch part the loss of the electronic elements are right smart reduced, the efficiency is increased, and it has extensive of applied foreground.Keywords：SEPIC converter, soft-switching, loss, efficiency1引言关于直流变换器在损耗问题上的研究，国内外文献多建立在对电路原理的数学仿真上[1-3]，而对其损耗机理的定量分析和计算尚不多见。
由直流变换器的工作原理可知，电路中功率MOSFET、续流二极管的损耗主要由器件的物理特性决定，限制了电路的工作频率的进一步提高，特别是在高于300kHz时，其损耗已经很大，由于损耗引起温升，降低了可靠性。
低压断路器瞬态电热分析技术研究
a
1 1 E1 E2 4F ( ) 1 b
2 1 2 2
R
R 1R 2 R 1 /( R1 R 2
1 2
dl S 1(l ) 1) dl S 2(l )
其中，F 是触头接触力；E1、E2 是 2 个触头材 料的弹性模量；μ1、μ2 分别是 2 个触头泊松比； ρ是圆弧触点半径，b 是触点宽度。 依据霍姆电接触模型理论，接触电阻为
快速脉冲群测试原理及分析
快速脉冲群测试原理及对策快速瞬变脉冲群干扰机理1.实验的目的电快速瞬变脉冲群EFT试验的目的是验证电子设备机械开关对电感性负载切换、继电器触点弹跳、高压开关切换等引起的瞬时扰动的抗干扰才能。
这种试验方法是一种耦合到电源线路、控制线路、信号线路上的由许多快速瞬变脉冲组成的脉冲群试验。
容易出现问题的场合有电力设备或监控电网的设备、使用在工业自动化上面的设备、医疗监护等检测微弱信号设备。
2.干扰的特点EFT的特点是上升时间快，持续时间短，能量低，但具有较高的重复频率。
EFT一般不会引起设备的损坏，但由于其干扰频谱分布较宽，会对设备正常工作产生影响。
其干扰机理为EFT对线路中半导体结电容单向连续充电累积，引起电路乃至设备的误动作。
1〕电快速瞬变脉冲群测试及相关要求不同的电子、电气产品标准对EFT抗扰度试验的要求是不同的，但这些标准关于EFT抗扰度试验大多都直接或间接引用GB/T17626.4这一电磁兼容根底标准，并按其中的试验方法进展试验。
下面就简要介绍一下该标准的内容。
2〕信号发生器和试验波形a〕信号发生器其中，U为高压直流电源，Rc为充电电阻，Cc为储能电容，Rs为内部的放电电阻，Rm为阻抗匹配电阻，Cd为隔直电容，R0为外部的负载电阻，Cc的大小决定了单个脉冲的能量，Cc和Rs的配合决定了脉冲波的形状〔特别是脉冲的持续时间〕，Rm决定了脉冲群发生器的输出阻抗〔标准规定是50Ω〕，Cd那么隔离了脉冲群发生器输出波形中的直流成分，免除了负载对脉冲群发生器工作的影响。
b〕实验波形试验发生器性能的主要指标有三个：单个脉冲波形、脉冲的重复频率和输出电压峰值。
GB/T17626.4要求试验发生器输出波形应如图1，2所示。
EFT是由间隔为300ms的连续脉冲串构成，每一个脉冲串持续15ms，脉冲波形组成，单个脉冲的上升沿5ns，持续时间50ns，重复频率5kHz和100kHz。
为了保证5kHz和100kHz注入的能量具有等效性，当用100kHz的重复频率代替5kHz 时，EFT的持续时间从15ms缩减到0.75ms。
3842开关电源评估版-7832
前言电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛的应用。
开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度，后者，较电压控制型有不可比拟的优点。
UC3842是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。
所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。
在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的控制器。
第一部分：UC3842电路工作原理一：基本概念1．单端反激式变换器。
所谓单端，是指高频变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧，并且只有一个输出端。
所谓反激，是指开关功率管导通时，后级整流二极管截止，电能将储存在高频变压器的初级电感线圈中；当开关功率管关断时，后级整流二极管导通，初级线圈上的电能通过磁芯的藕合传输给次级绕组，并经过后级整流二极管输出。
下文实例电路就采用单端反激式。
2．电压控制型。
脉宽调制（PWM）型开关稳压电源只对输出电压进行采样，实行闭环控制，这种控制方式属电压控制型，是一种单环控制系统。
其原理如下：图1电压控制型原理与参考电压Uref比较放大，得到误差信号Ue，再如图1所示，电源输出电压UO与斜波信号比较后，PWM比较器输出一定占空比的系列脉冲，这就是电压控制型的原理。
其最大缺点是：控制过程中电源电路内的电流值没有参与进去。
众所周知，开关电源的输出电流是要流经电感的，故对于电压信号有90度的相位延迟，然而对于稳压电源来说，应当考虑电流的大小，以适应输出电压的变化和负载的需求，从而达到稳定输出电压的目的，因此仅采用输出电压采样的方法，其响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变化时，会产生振荡，造成功率管损坏等故障。
瞬变电磁法中数据取样处理方法的研究
图"
中心时间和数据窗等对数间隔
首先定原始衰减曲线取样道的中心时间， 然后 574 以 45 （即 4 7 !8 倍关系） 为等对数间隔， 先确定各取 样道的中心时间 ! ’ ， 再确定数据采样窗口宽度 () ， 数据窗宽也以 455 7 4 为等对数间隔， 原理见图 4。 这种方式的优点为取样道的中心时间严格遵循 万方数据 对数等间隔； 缺点是数据窗口不连续， 丢失数据， 对
（"） 信号衰减快， 在早期， 信号幅值高且衰减速 度很快； 而晚期的信号很弱， 已达微伏数量级， 并且 衰减速度慢得多。 瞬变电磁信号在早、 中、 晚期的衰减速度差别相 当大， 在很宽的时间范围内为了不失真、 准确地确定 瞬变电磁信号的衰减特性， 除了在足够宽的时间范 围内必须有足够的取样道外， 各取样道之间的间隔 及取样数据窗口宽度应随取样道不同而有所改变。 在早期， 信号幅值高而且衰减速度快， 因此取样时间 的间隔及取样窗口的宽度都必须相当窄才能保证足 以精确地分辨信号的衰减特性； 在晚期， 取样间隔及 窗宽应增大， 以适应弱信号慢衰变的特性。
［!］
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瞬变电磁信号检测的方法
目前， 国内外瞬变电磁系统很多， 也采用了不同
的方式。从目前各种仪器的分析来看， 主要有 " 种 方式： 模拟积分取样、 数字化叠加取样、 模拟积分— 数字化叠加取样。采用数字积分技术在每一个采样 周期内可采样数很多 （如 ! #$,， 。硬件电 $ #,* 点） 路上不再需要 " 个积分器， 大大简化了电路， 节省 了元器件及电路的调试过程。 （!） 模拟积分取样方式。 789:;<= 公司的 ./0"> 系列就是采用模拟积分取样方式， 在电路上采用多 个积分器， 分时段对信号进行采集。优点是采样精 度高， 缺点是电路设计复杂、 对电路的精度要求也最 高， 信号的特点是取样的起始时间、 取样窗口宽度及 取样次数由时标信号确定， 通常取样时间、 取样次数
基于IGCT的高压大容量三电平变频调速系统的研制应用
基于I G C T的高压大容量三电平变频调速系统的研制应用孙晓瑛赵争鸣袁立强(电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室，清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084)摘要本文介绍了“基于I G cT的高压大容量三电平变频调速系统”的立项背景、研制历程和取得的技术成果，并阐述了该系统含有的一些主要的关键技术和应用情况。
关键词：高压大容量变换器；IG cT；三电平；变频调速系统；节能增效T he D eV e l opm ent and A ppl i cat i ons of t he H i gh V bl t age and H i gh P ow e r T hr ee-l eV el A dj us t abl e Spee d Sys t em E qui pped w i t h I G C T s鼬，z‰o岁伽g2施口口Z『lPng，行伽g玩口n L f鸟f口，l g(T．s i nghua U ni V ers i t y，Bei j i ng100084)A bs t r act Thi s pap er i nt roduc es t he bac kground，pr oc e duI．e and achi eV em ent s of hi gh V ol t a ge andhi g h pow e r t hr ee—l eV el adj ust abl e s peed s ys t em equi pped w i t h t he I G C7r s．A nd t he key t echni ques re l a t e d m i s s ys t em ar e al s o pre se nt s i n t hi s paper．K ey w or ds：hi gh V ol t a ge and hi g h pow e r i nV ener；I G C T；t hr ee—l eV el；adj us t abl e s peed dri V e sys t em；ene略y s aV i ng1引言清华大学与国电自动化股份有限公司经过6年多的共同合作，围绕“基于I G CT的高压大容量三电平变频调速系统”项目的研发及其产业化过程中出现的各种技术难点和关键问题，艰苦攻关，取得了多项重大技术研究成果。
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第31卷第21期中国电机工程学报V ol.31 No.21 Jul.25, 201140 2011年7月25日Proceedings of the CSEE ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013 (2011) 21-0040-08 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40基于开关瞬态过程分析的大容量变换器杂散参数抽取方法陈材，裴雪军，陈宇，汪洪亮，康勇(华中科技大学应用电子工程系，湖北省武汉市 430074)A Stray Parameter Extraction Method for High Power Converters Based onTurn-on/off Transient AnalysisCHEN Cai, PEI Xuejun, CHEN Yu, Wang Hongliang, KANG Yong(Department of Power Electronic Technology, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, Hubei Provice, China)ABSTRACT: When an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is abruptly turned off or turned on, trapped energy in the circuit stray inductance is dissipated in the switching device, causing a voltage overshoot across the switching device. In order to quantitative analyze this voltage overshoot, the circuit stray inductance extraction is necessary. Against the traditional inaccurate extraction method, which chooses the maximum voltage point and an approximated current slope as the calculation parameters, this paper proposed a new extraction method, in which the turn-on and turn-off non-linear transient processes are divided into several piece-wise linear intervals, moreover, the forward and reverse recovery effects of the anti-parallel diode are also taken into account, so the accurate voltage overshoot ΔU ce and the corresponding current slope d i/d t are obtained accurately, and the accurate extraction period of turn-on and turn-off are obtained respectively. The proposed method is verified experimentally using a single-phase inverter prototype with 75 kV A capability. The stray inductance extracted from the turn-on and turn-off periods under different load conditions are consistency which proved the method's validity and accuracy.KEY WORDS: voltage overshoot; stray inductance anti- parallel diode; turn-on; turn-off摘要：由于线路杂散电感存储能量的释放，绝缘门极双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)在开通和关断的瞬态过程中，其两端将产生电压尖峰。
为了对该电压尖峰进行定量研究，需要对IGBT开关过程进行分析，抽取线路的杂散电感参数。
传统抽取方法通常利用IGBT关断电压的最大幅值以及近似的电流斜率作为计算参数，其计算结果并不精确。
为得到更精确的结果，提出一种新的参数抽取方法，通过将IGBT开通、关断的非线性过程分解为多个线性阶段，并充分考虑反并联二极管前向恢复和反向恢复的影响，在此基础上得到电压过冲ΔU ce和相对应的d i/d t，进而得到准确的杂散参数抽取过程。
最后，将该分析方法在一台75kV A的单相逆变器进行实验验证，利用不同工况下的开通和关断过程进行线路杂散电感抽取，均得到一致的结果，从而证明了本方法的有效性与正确性。
关键词：电压尖峰；杂散电感；反并联二极管；开通；关断0 引言20世纪80年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在工业中的应用越来越广泛。
随着需求的增加，电力电子装置趋于大容量、高功率密度，开关器件的电压、电流等级也随之增大。
以现在广泛使用的开关器件绝缘门极双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)为例，1700～6500Ｖ，2000～3600A的大功率IGBT模块已得到广泛的使用，其开通时间达到0.3 μs，关断时间达到1.5 μs。
功率等级的提高也产生了许多问题。
由于线路杂散电感的存在，开关管在开关过程中将产生几百A/μs的d i/d t，过大的d i/d t将会在开关过程中产生很高的电压尖峰，该电压尖峰有可能损坏开关器件，同时增加开关损耗[1-2]和电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)噪声[3-6]。
为了抑制开关管的电压尖峰，需要尽可能的减小线路杂散基金项目：国家自然科学基金项目(50737004)；台达电力电子科教发展计划重点项目(DREK2010002)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50737004); The Key Program of Delta Power Electronics Science and Education Development Plan(DREK2010002).第21期陈材等：基于开关瞬态过程分析的大容量变换器杂散参数抽取方法 41电感，并且采用适当结构参数的缓冲电路来抑制和吸收过电压[7-10]。
由于线路杂散参数对电力电子装置的EMI特性、损耗以及器件的选取上等都有着显著的影响，因此需要对线路杂散电感的影响进行深入的研究。
在大功率电力电子装置中，普遍采用平板叠层母排的连接结构[3,11-19]以减小线路杂散电感，减小功率器件的电压应力，进而减轻缓冲电路的压力。
对于具有以上叠层母排连接结构的大容量变换器，线路杂散电感的抽取方法有：1）通过各种仿真方法诸如有限元分析法(finite element analysis，FEA)[14-15]，部分元等效电路法(partial element equivalent circuit，PEEC)[16-18]或时域反射法(time domain reflectometry，TDR)[19]等进行抽取。
2）通过各种实验方法，诸如测试谐振频率[3]，测量电压过冲ΔU ce以及电流变化率[11-13,15-17]等方法进行抽取。
由于IGBT真实的开关过程存在多个阶段，其d i/d t也不尽相同，因此上述各种方法均不能完全复现真实的开关过程。
例如，TDR法对于实验设备要求很高，难以实现；测试谐振频率的方法体现的是一种平均效应，准确度不高；测量关断电压的方法仅选取开关管关断电压的峰值以及近似的d i/d t作为计算参数，并利用近似公式L s=(U max−U dc)/(d i/d t)进行计算，其计算结果并不精确。
为克服上述缺点，本文提出一种新的基于开通和关断瞬态过程的准确杂散参数抽取方法。
通过将IGBT开通、关断的非线性过程分解为多个线性阶段，同时充分考虑了反并联二极管的前向恢复电压和反向恢复电流的影响，在此基础上得到电压过冲和相对应的d i/d t，进而计算得出杂散电感值。
本文将以图1所示的带RCD限幅钳位缓冲的大容量单相逆变器为例进行分析，利用直流母线电U图1 带RCD限幅钳位缓冲单相逆变器电路原理图Fig. 1 Schematic circuit of single-phase inverter withRCD voltage clamp snubber 流的d i/d t、T1关断时自身的端电压或T1开通时同一桥臂对管T2的端电压进行杂散参数抽取，并给出抽取过程与计算方法，最后在一台75kV A大功率样机上进行实验验证。
1 IGBT关断瞬态过程分析在本节中，将对图1中开关管T1的关断过程进行分析。
分析过程中将考虑RCD限幅钳位缓冲对T1端电压的影响[7-9]。
在开关过程瞬间，负载电流可以视为恒流源，大小为I o，直流电源电压为U dc。
结合关断电压、电流波形的实际情况，可将关断电压、电流波形进行近似线性分解，其瞬态过程如图2、3所示。
1）t1时刻之前：T1处于开通状态，直流侧电流i dc(t)等于负载电流I o，电流流向如图2(a)所示，电压如下：T101()0[,]u t t t t=∈，(1) 2）t1~t2过程：T1驱动电压超过驱动阀值电压U th，T1开始导通，由于T1的端电压u T1(t)较小，其密勒电容C cg很大，端电压增加缓慢，i dc(t)基本保持不变，同时T2反并联二极管端电压下降。
电流开始通过T2反并联二极管续流，电流流向仍如图2(a)所示，由文献[7]得到电压关系如下：th g o mT1112g cg/()()[,]U U I gu t t t t t tR C−−+=−∈， (2)(a) t1之前和t1~t2 (b) t2~t3(c) t3~t4 (d) t4之后图2 IGBT T1关断换流过程Fig. 2 IGBT T1 turn-off commutation process42 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷012334图3 IGBT T 1关断端电压和直流侧电流波形Fig. 3 IGBT T 1 turn-off voltage andDC link current waveforms式中：U g −为关断驱动电压；R g 为驱动电阻；g m 为IGBT 跨导。