电力电子系统电磁干扰分析与主动抑制

电力电子装置作为实现电能高效可控变换的主要技术手段，已经广泛应用于可再生能源发电、输配电系统、交通运输、信息和通信、国防科技、工业制造、家用电器等领域，现阶段超过70%的电能需要经过电力电子装置进行电能变换后使用。电磁兼容问题是所有电力电子装置所面临的共性问题。电力电子装置向着小型化和集成化方向发展，使得电力电子装置内部电磁环境越来越复杂。电力电子装置产生的电磁干扰会对装置本身和周围电子设备的正常工作产生威胁，关系到电力电子系统的可靠运行，而电力电子装置电气性能研究日益成熟，电力电子系统的电磁干扰问题已经逐渐成为制约电力电子技术进一步发展的关键问题。

电力电子系统电磁干扰问题的根源是半导体开关器件的非线性高频开关行为，尤其随着宽禁带、超宽禁带半导体开关器件的出现和商业应用，使得电力电子系统朝着高频化方向发展，其开关频率已经从几十千赫兹逐步发展到上兆赫兹；另外，为了实现电力电子系统的高功率密度，降低系统损耗，电力电子系统的电压等级也逐步提升，使得半导体开关器件在开关过程中产生的电压变化率越来越大，其产生的高频干扰也愈加严重，电力电子系统的电磁干扰面临着诸多新的挑战。

由电磁兼容基本原理可知，电磁干扰三要素为电磁干扰源、电磁干扰传播路径和敏感设备。由于电磁干扰源的偶发性和不确定性，传统的电磁干扰抑制方法主要集中在干扰传播路径和敏感设备方面，即采用电磁干扰滤波器或者接地技术切断电磁干扰的传播路径，并通过屏蔽的方法对敏感设备进行防护。虽然传统的电磁干扰抑制方法可以很好地抑制电磁干扰现象，但电磁干扰滤波器和屏蔽设备的大量使用，往往不可避免地伴随着成本、体积和重量的增加以及系统效率的牺牲，这与电力电子系统向高效、高功率密度发展的目标相悖。

▲ 电磁干扰三要素

由电磁干扰三要素可知，除了切断电磁干扰的传播路径，从电磁干扰源入手，减少电磁干扰源的数量或发射水平，同样可有效抑制电磁干扰。在电力电子系统中，变换器中半导体开关器件持续高频的开关动作是系统中主要、明确的电磁干扰源，因此，针对电力电子系统中电磁干扰源采用电磁干扰主动抑制方法，可以实现对系统中电磁干扰的有效控制，从而避免滤波器与屏蔽器的大量使用，能够更加有效地降低系统的体积和重量，提高系统效率和功率密度。此外，本书所提的电磁干扰主动抑制方法能够对系统电磁干扰水平进行实时在线调节，是相较于传统方法的另一个优点。例如，当电磁干扰滤波器发生老化造成电磁干扰抑制性能下降或电力电子系统中器件性能发生改变时，可通过电磁干扰主动抑制方法对系统的电磁兼容性能进行主动调整，保证系统安全可靠地运行。

《电力电子系统电磁干扰分析与主动抑制》（李虹，杨志昌，张柏华著. 北京：科学出版社，2023.6）一书针对基于全控器件的现代电力电子装置电磁干扰问题，提出电磁干扰建模方法和主动抑制策略，并形成适用于电力电子系统的一般性建模和抑制方法。电磁干扰建模方法为电力电子装置的电磁兼容设计提供理论指导；电磁干扰主动抑制策略实现从源头上抑制电磁干扰发射，能够在不增加或少增加电力电子装置体积和重量的前提下，有效抑制电磁干扰幅值，有助于电力电子装置向轻量化高功率密度化发展。

▲ 电力电子系统电磁干扰抑制策略分类

为了使广大读者对电力电子系统电磁干扰主动抑制方法有一个全面与系统的了解，本书作者结合多年教学和科研实践中取得的研究成果介绍电力电子系统电磁干扰的原理、建模方法和主动抑制技术等。本书针对当前电力电子系统电磁干扰出现的新问题和新特点，建立电磁干扰分析与预测模型；通过分析电力电子系统不同频段电磁干扰的决定因素，分别提出基于混沌脉宽调制、多电平调制、有源驱动等技术的电磁干扰主动抑制技术，在较少增加电力电子装置体积和重量的同时，有效抑制电磁干扰的幅值，提高系统的可靠性。此外，基于宽禁带半导体器件的电力电子系统的电磁干扰分析与主动抑制也是本书重点介绍的内容。本书提供了大量电磁兼容设计实例，并展现了从理论设计、公式推导到仿真和试验验证的完整的电磁兼容设计流程。本书的研究内容有助于提高电力电子装置的安全性和可靠性，为电力电子与电力传动学科的发展提供电磁兼容理论依据和技术参考。

全书共7 章：

第1 章概述电磁兼容的基本概念和电磁干扰测试与标准等内容；

第2 章总结电力电子系统中的电磁干扰问题、电磁干扰分析和抑制方法等；

第3章着重介绍电力电子系统中的电磁干扰建模、量化与预测方法；

第4 章和第5 章分别详细介绍基于混沌脉宽调制的电力电子系统的电磁干扰主动抑制方法和混沌脉宽调制与电磁干扰滤波器设计相结合的电磁干扰抑制方法；

第6 章详细介绍有源驱动技术的电力电子系统电磁干扰主动抑制方法；

第7 章主要介绍模块化多电平变换器的共模电磁干扰主动抑制方法。

李虹教授及其团队一直从事电力电子系统电磁干扰分析和抑制的研究，在研究思路上另辟蹊径，从混沌脉宽调制机理、有源驱动技术上提出了电力电子系统电磁干扰的主动抑制技术。混沌脉宽调制机理抑制电磁干扰源于混沌信号的连续频谱特性，可以使得电磁干扰产生的能量在一个较宽的范围内均布，从而降低电磁干扰的峰值。与现有随机脉宽调制相比，混沌脉宽调制避免了实际无法产生随机调制信号的困难；而与抖频技术相比，混沌脉宽调制频率变化可由简单的混沌电路产生，且混沌的有界性可以控制纹波的大小，因此是一种从机理上抑制电磁干扰的全新、可以广泛应用的技术。针对宽禁带功率器件的特点，采用有源驱动技术抑制电力电子系统电磁干扰是一个新的研究方向，也必将推动宽禁带功率器件电力电子系统的发展。

《电力电子系统电磁干扰分析与主动抑制》一书是李虹教授多年深耕电力电子系统电磁干扰分析及抑制研究的结晶，不仅在理论上有很高的学术价值，而且是对航空航天、轨道交通、大功率电源等领域应用成果的总结，具有很好的实用性。该书的出版将促进电力电子系统电磁干扰的研究，推动这一领域的技术发展。

华南理工大学教授  

2023 年3 月25 日于华园

本文摘编自《电力电子系统电磁干扰分析与主动抑制》（李虹，杨志昌，张柏华著. 北京：科学出版社，2023.6）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-073181-4

责任编辑：张海娜 纪四稳

本书介绍了电力电子系统电磁干扰的形成机理、建模方法和主动抑制技术。针对基于全控器件的现代电力电子装置电磁干扰源的新特点，提出了电磁干扰分析与预测模型；通过分析不同频段电磁干扰决定因素，分别提出了基于混沌脉宽调制、有源驱动、有源电磁干扰滤波等主动电磁干扰抑制技术，在不增加或少增加电力电子装置体积、重量的前提下，有效降低了电磁干扰幅值并缓解了电力电子装置高功率密度与良好电磁兼容性之间的矛盾。

本书的读者对象为电气工程领域的高校教师、研究生，以及电磁兼容相关专业的技术人员。

（本文编辑：刘四旦）

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