一种舰船平台短时工作的DC-DC直流充电机时域EMI的建模方法技术

本发明专利技术公开一种舰船平台短时工作的DC

【技术实现步骤摘要】
一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法


[0001]本专利技术涉及电磁兼容领域，具体是一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法。

技术介绍

[0002]现阶段舰船平台使用的推进电机具有短时大功率的工作特性会对舰船平台直流电网产生巨大的功率冲击。因此为了减少功率冲击带来的电磁干扰问题，使独立电网能够平稳工作需要通过直流电网对储能柜先行充电，在储能柜的电量满足后续推进电机短时工作的峰值功率和耗能需求时来驱动不同的电机，因此需要大容量DC
‑
DC直流充电机在直流电网与储能柜之间进行短时大功率的直流充电。
[0003]DC
‑
DC直流充电机中均使用了大功率半导体器件，在开通时其端电压接近于0，可以近似等效为短路状态，而在关断状态下的端电压为电源电压大小。因此半导体开关器件在开通和关断状态之间进行快速切换时不可避免地会产生很大的du/dt和di/dt，进而会产生电磁干扰的问题，对同时工作在独立电网上的其他用电设备造成了严重的电磁干扰风险。同时，现阶段在舰船平台上使用的DC
‑
DC直流充电机的容量达到MW级，采用的半导体开关器件的开关频率会更高、功率更大，进而电路中会产生更大的电磁干扰，因此针对DC
‑
DC直流充电机短时工作的特性进行建模来预测EMI特性的问题亟待解决。但是电力系统的短时工作特点所用到的直流充电机与以往的传统直流充电机稳态工作的特点有较大差异，同时对其进行时域的建模分析目前还没有找到很好的方法。
[0004]由于Buck电路的电路结构简单、传输功率较大、电路效率高等优势，使得其在舰船等平台的直流充电场景中得到越来越广泛的使用。但是从电磁干扰分析角度出发，由于本身电路拓扑中开关管的使用，以及开关管器件自身非线性的开关特性，会产生很严重的电磁干扰问题，影响设备正常安全的运行。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法，包括以下步骤：
[0006]1)根据DC
‑
DC直流充电机功率电路中开关管的开关函数，获取开关过程的等效干扰源频谱信息；
[0007]所述功率电路包括Buck电路；
[0008]其中，功率电路采用PWM控制方式控制开关管的通断；
[0009]开关管的开关函数如下所示：
[0010][0011]式中，S＝1表示开关管开通；S＝0表示开关管关断。
[0012]获取开关过程的等效干扰源频谱信息的步骤包括：
[0013]1.1)获取开关管在开通和关断瞬间的时域波形，作为干扰源时域信息；
[0014]1.2)对干扰源时域信息进行快速傅里叶变换，得到干扰源频谱信息。
[0015]2)建立共模干扰等效电路模型和差模干扰等效电路；
[0016]所述差模干扰等效电路与功率电路相同。
[0017]建立共模干扰等效电路的步骤包括：
[0018]2.1)建立开关器件的几何模型，包括开关管、导热硅脂、绝缘衬垫和散热器；其中，绝缘衬垫位于散热器之上；导热硅脂位于绝缘衬垫之上；开关管位于导热硅脂之上；
[0019]2.2)根据开关器件的几何模型，求解开关管发射极对参考地的等效寄生电容C
p
、散热器和参考地之间的等效电感L
cm
；
[0020]2.3)根据开关管发射极对参考地的等效寄生电容C
p
、散热器和参考地之间的等效电感L
cm
，建立共模干扰等效电路。
[0021]共模干扰等效电路的电路拓扑如下所示：
[0022]记电源正极所在一端为A，负极所在一端为B；
[0023]A端连接开关管S的集电极；
[0024]开关管S的基极悬空，发射极串联电感L、电阻R后连接B端；
[0025]开关管S的发射极串联电容C
p
后接地；
[0026]开关管S的发射极连接二极管D1的阴极；二极管D1的阳极连接B端；
[0027]A端连接电容C、电容C1、电阻R1后接地；
[0028]A端连接电容C2、电阻R2后接地；
[0029]B端连接电容C2、电阻R2后接地；B端连接电容C1、电阻R1后接地。
[0030]求解开关管发射极对参考地的等效寄生电容C
p
、散热器和参考地之间的等效电感L
cm
的工具包括Q3D软件。
[0031]3)建立DC
‑
DC直流充电机输出侧共模电磁干扰电压和差模电磁干扰电压的时域表达式。
[0032]3.1)建立DC
‑
DC直流充电机输出侧差模电磁干扰电压时域表达式，步骤包括：
[0033]3.1.1)在开关管S导通期间，建立差模干扰等效电路输入端电压与输出电流的关系式，即：
[0034][0035]式中，E为输入端电压；i
O1
为开关管S导通时的输出电流；R为电阻；L为电感；
[0036]3.1.2)根据输入端电压与输出电流的关系式，建立输出电流i
O1
表达式，即：
[0037][0038]式中，I
O1
为开关管S导通时输出电流初值；为时间常数；t为时间；
[0039]3.1.3)在开关管S关断期间，建立此时输出电流i
O2
的时域表达式，即：
[0040][0041]式中，i
O2
为开关管S关断时的输出电流；
[0042]3.1.4)根据输出电流i
O1
与输出电流i
O2
的关系式，建立输出电流i
O2
表达式，即：
[0043][0044]式中，I
O2
为开关管S关断时输出电流初值；
[0045]3.1.5)建立开关管S工作在电流连续状态时的稳态电流约束，即：
[0046][0047]式中，T为一个开关周期的时间；
[0048]3.1.6)联立方程(2)～(6)，求解得到开关管S导通时输出电流初值I
O1
和开关管S关断时输出电流初值I
O2
，即：
[0049][0050]3.1.7)建立差模电磁干扰电压时域表达式，即：
[0051][0052]式中，u
dm
(t)为差模电磁干扰电压瞬时值；[t1,t2)为开关管S导通时间段；[t2,t3)为开关管S关断时间段。
[0053]3.2)建立DC
‑
DC直流充电机输出侧共模电磁干扰电压时域表达式，步骤包括：
[0054]3.2.1)建立开关管S导通时，共模干扰等效电路输出侧两端的电位与输入侧电源中点之间电位差的表达式，即：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据DC
‑
DC直流充电机功率电路中开关管的开关函数，获取开关过程的等效干扰源频谱信息。2)建立所述共模干扰等效电路模型和差模干扰等效电路。3)建立DC
‑
DC直流充电机输出侧共模电磁干扰电压和差模电磁干扰电压的时域表达式。2.根据权利要求1所述的一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法，其特征在于，所述功率电路包括Buck电路；其中，功率电路采用PWM控制方式控制开关管的通断；开关管的开关函数如下所示：式中，S＝1表示开关管开通；S＝0表示开关管关断。[t1,t2)为开关管S导通时间段；[t2,t3)为开关管S关断时间段。3.根据权利要求1所述的一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法，其特征在于，获取开关过程的等效干扰源频谱信息的步骤包括：1)获取开关管在开通和关断瞬间的时域波形，作为干扰源时域信息；2)对干扰源时域信息进行快速傅里叶变换，得到干扰源频谱信息。4.根据权利要求1所述的一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法，其特征在于，所述差模干扰等效电路与功率电路相同。5.根据权利要求1所述的一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法，其特征在于，建立共模干扰等效电路的步骤包括：1)建立开关器件的几何模型，包括开关管、导热硅脂、绝缘衬垫和散热器；其中，绝缘衬垫位于散热器之上；导热硅脂位于绝缘衬垫之上；开关管位于导热硅脂之上；2)根据开关器件的几何模型，求解开关管发射极对参考地的等效寄生电容C
p
、散热器和参考地之间的等效电感L
cm
；3)根据开关管发射极对参考地的等效寄生电容C
p
、散热器和参考地之间的等效电感L
cm
，建立共模干扰等效电路。6.根据权利要求5所述的一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法，其特征在于，共模干扰等效电路的电路拓扑如下所示：记电源正极所在一端为A，负极所在一端为B；A端连接开关管S的集电极；开关管S的基极悬空，发射极串联电感L、电阻R后连接B端；开关管S的发射极串联电容C
p
后接地；开关管S的发射极连接二极管D1的阴极；二极管D1的阳极连接B端；A端连接电容C、电容C1、电阻R1后接地；A端连接电容C2、电阻R2后接地；
B端连接电容C2、电阻R2后接地；B端连接电容C1、电阻R1后接地。7.根据权利要求5所述的一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法，其特征在于，求解开关管发射极对参考地的等效寄生电容C
p
、散热器和参考地之间的等效电感L
cm
的工具包括Q3D软件。8.根据权利要求1所述的一种舰船平台短时工作的DC
‑
DC直流充电机时域EMI的建模方法，其特征在于，建立DC
‑
DC直流充电机输出侧差模电磁干扰电压时域表达式的步骤包括：1)在开关管S导通期间，建立差模干扰等效电路输入端电压与输出电流的关系式，即：式中，E为输入端电压；i
O1
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘其凤，陈振亚，李永明，朱学贵，张淮清，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：