CN111079331A - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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；

步骤5：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，最终获取功率变换单元换流全过程中，高频换流回路在各关注频点处产生的总磁场辐射发射矢量分布。

进一步地，所述功率变换单元通过控制功率半导体器件开关动作来实现电能的变换和控制，所述功率变换单元包括功率半导体器件、汇流母排、散热器、磁性器件、被动器件，并依据一定的主电路拓扑结构连接起来。

进一步地，所述功率变换单元的工作过程包含多个基本换流过程，在结构上形成多个基本换流回路电流路径，所述回路电流包含多个频段的高频谐波电流分量。

进一步地，所述分析方法还包括模型前处理过程：即建立功率变换单元基本换流回路三维有限元模型并进行简化；还包括激励与边界条件的施加：对功率变换单元基本换流回路的换流过程与回路电流进行分析，获取回路电流频谱分布、幅值和相位作为激励源输入有限元模型，并在求解域边界施加辐射边界条件。

进一步地，所述分析方法还包括网格剖分：依据功率变换单元模块结构尺度特征设置网格剖分规则，并依据仿真频率对导体表面进行网格加密设置以考虑集肤效应与邻近效应影响，同时对关注区域进行网格加密；还包括仿真分析求解：即利用有限元分析中的涡流场求解器，分别对各基本换流回路模型在各关注频点处进行扫频涡流场分析。

进一步地，所述功率变换单元在整个换流过程中包含N组(N为正整数)基本换流回路，其中，基本换流回路i在时刻t、空间点O(x,y,z) 处产生的磁场辐射发射磁感应强度矢量B_Li(x,y,z,t)可表示为：

B_Li(x,y,z,t)＝B_Li(x,y,z)*cos(2πf*t+θ_i°) (1)

其中，i为不大于N的正整数，θ_i°为该基本换流回路i的回路电流初相位，x,y,z为空间点O的三维坐标，f为关注频点；

依下式，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，可获取功率变换单元换流全过程中，在关注频点f处产生的总磁场辐射发射磁感应强度矢量B_L(x,y,z,t)：

其中，θ(x,y,z)为空间点O(x,y,z)处总磁感应强度矢量B_L(x,y,z,t)的初相位。

本发明的优点在于：

(1)本发明所述的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，是一种适用于大功率电力电子变换装置内功率变换单元乃至系统级空间磁场辐射发射仿真分析的有效方法，步骤简捷，准确度较高。

(2)本发明所述的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，在结构和频域两方面对功率变换单元换流过程进行了合理简化、减小了模型规模和计算难度、提升了分析效率。

(3)本发明所述的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，能够获取功率变换单元各换流过程阶段的空间磁场辐射发射矢量分布特征和全过程合成矢量分布特征，对识别磁场干扰源及耦合途径，提升设备电磁兼容设计有效性，降低研发成本具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一个实施例的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步骤流程图；

图2为本发明一个实施例的功率变换单元的主电路拓扑图；

图3为本发明一个实施例的功率变换单元基本换流回路及回路电流波形示意图；

图4为本发明一个实施例的功率变换单元结构示意图与简化三维有限元分析实体模型示意图；

图5为本发明一个实施例有限元实体模型中的基本换流回路空间三维路径示意图；

图6为本发明一个实施例的功率变换单元单组基本换流回路和完整换流过程磁场辐射发射幅值分布图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

参见图1示出了本发明一个实施例的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步骤流程图，本发明包括如下步骤：

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、磁性器件等导电导磁器件在内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，电阻、电容等被动器件进行模型简化与等效；

步骤4：利用有限元分析软件，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。

步骤5：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，最终获取功率变换单元换流全过程中，高频换流回路在各关注频点处产生的总磁场辐射发射矢量分布。

本发明的技术方案是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，所述功率变换单元通过控制功率半导体器件开关动作来实现电能的变换和控制，包括功率半导体器件、汇流母排、散热器、磁性器件、被动器件等，并依据一定的主电路拓扑结构连接起来。

所述功率变换单元的工作过程包含多个基本换流过程，在结构上形成多个基本换流回路电流路径，所述回路电流包含多个频段的高频谐波电流分量，并会向周围空间辐射电磁能量，具备产生电磁兼容性问题的风险。

所述有限元分析方法包括(1)模型前处理过程：功率变换单元基本换流回路三维有限元模型的建立与合理简化；(2)激励与边界条件的施加：对功率变换单元基本换流回路的换流过程与回路电流进行分析，获取回路电流频谱分布、幅值和相位作为激励源输入有限元模型，并在求解域边界施加辐射边界条件；(3)网格剖分：依据功率变换模块结构尺度特征设置网格剖分规则，并依据仿真频率对导体表面进行网格加密设置以考虑集肤效应与邻近效应影响，同时对关注区域进行网格加密；(4) 仿真分析求解：利用有限元分析软件涡流场求解器，分别对各基本换流回路模型在各关注频点处进行扫频涡流场分析。(5)后处理过程：对各基本换流回路的磁场辐射发射矢量分布进行空间矢量叠加，获取功率变换单元换流全过程总磁场辐射发射矢量分布。

下面以某直流升压变换装置的功率变换单元(模块)为例对本发明的具体实施方式进行说明。

参见图2，示出了本发明一个实施例的功率变换单元的主电路拓扑图；本实施例中，直流升压变换装置的功率变换单元的主电路拓扑为三电平交错Boost电路结构，该电路可以提升等效开关频率，降低功率半导体器件电压应力，该功率变换单元设计开关频率15kHz,输入电流纹波频率 60kHz。

参见图3，示出了一个实施例的功率变换单元基本换流回路及回路电流波形示意图；本实施例中，所述功率变换单元整个各换流过程可分解为四个等效的工作过程，每个工作过程又可以分解为三个工作阶段：阶段1为Boost开关管导通充电阶段，阶段2为换流阶段，阶段3为Boost 开关管关断放电阶段，共十二个工作阶段，每个工作阶段在三维结构上形成独立的基本换流回路路径。由于阶段2过程持续时间极短，回路电流谐波频谱超出了RE101测试范围，同时考虑到四组功率半导体器件 S₁～S₄，以及两个耦合电感L₁、L₂在空间上的相邻性，基本换流回路可合并简化为两组，通过主电路拓扑的合并后的回路路径与回路电流波形如图3(a)和图3(b)所示，此外，如图3(c)所示，输入直流电源与直流滤波电容器组形成独立的通流回路，作为第三组基本换流回路。由回路电流分析可知，在RE101测试范围内，本实施例中所述功率变换单元各回路电流主要谐波分量为60kHz单频点。

参见图4，示出了本发明一个实施例的功率变换单元结构示意图与简化三维有限元分析实体模型示意图；如图4(a)所示，所述功率变换单元主要包括功率开关器件1、汇流母排2、耦合电感等磁性器件3、散热器4、电容等被动器件5和屏蔽机箱6；如图4(b)所示，三维有限元实体模型中保留了汇流母排2、散热器3、屏蔽机箱6的主要材料和结构特征，简化了耦合电感等磁性器件3的绕组结构，用导电实体代替电容等被动器件和换流回路中导通的功率半导体器件，并通过导电实体材料电阻率的合理设置来等效模拟被代替器件的实际导通阻抗。

参见图5，示出了本发明一个实施例有限元实体模型中的基本换流回路空间三维路径示意图；该模型基于功率变换单元器件布局分析与基本换流回空间三维流经路径分析，并依据前述方法对相关器件进行了简化和等效处理。

参见图6，为本发明一个实施例的功率变换单元单组基本换流回路和完整换流过程磁场辐射发射幅值分布图；该分布图依据步骤4仿真分析求解后获取。依据步骤2中获取的各基本换流回路电流在60kHz频点处的谐波幅值与相位信息；所述三组基本换流回路在时刻t空间点O(x,y,z) 处产生的磁场辐射发射磁感应强度矢量B_Li(x,y,z,t)(i＝1～3)可分别表示为：

B_L1(x,y,z,t)＝B_L1(x,y,z)*cos(2πf*t-66.81°)

B_L2(x,y,z,t)＝B_L2(x,y,z)*cos(2πf*+122.84°)

B_L3(x,y,z,t)＝B_L3(x,y,z)*cos(2πf*t+24.47°) (1)

其中，x,y,z为空间点O的三维坐标，f＝60kHz，图6(a)示出了基本换流回路1磁场辐射发射产生的磁感应强度矢量幅值│B_L1(x,y,z)│的空间分布图。

依下式，对本实施例各基本换流回路的磁场辐射发射矢量进行空间矢量叠加，可获取功率变换单元换流全过程中，在关注频点60kHz处产生的总磁场辐射发射磁感应强度矢量B_L(x,y,z,t)。

B_L(x,y,z,t)＝B_L1(x,y,z,t)+B_L2(x,y,z,t)+B_L3(x,y,z,t)

＝B_L(x,y,z)*cos(2πft+θ(x,y,z)) (2)

其中，f＝60kHz，θ(x,y,z)为空间点O(x,y,z)处磁感应强度矢量B_L(x,y,z,t) 的初相位，图6(b)示出了功率变换单元换流全过程中，关注频点60kHz 处磁场辐射发射产生的磁感应强度矢量幅值│B_L(x,y,z)│的空间分布图。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一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，其特征在于所述方法包括以下步骤：

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，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；

步骤5：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，最终获取功率变换单元换流全过程中，高频换流回路在各关注频点处产生的总磁场辐射发射矢量分布。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述功率变换单元通过控制功率半导体器件开关动作来实现电能的变换和控制，所述功率变换单元包括功率半导体器件、汇流母排、散热器、磁性器件、被动器件，并依据主电路拓扑结构连接起来。

3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述功率变换单元的工作过程包含多个基本换流过程，在结构上形成多个基本换流回路电流路径，所述回路电流包含多个频段的高频谐波电流分量。

4.根据权利要求1-3任意一项所述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，其特征在于：

所述分析方法还包括模型前处理过程：即建立功率变换单元基本换流回路三维有限元模型并进行简化；还包括激励与边界条件的施加：对功率变换单元基本换流回路的换流过程与回路电流进行分析，获取回路电流频谱分布、幅值和相位作为激励源输入有限元模型，并在求解域边界施加辐射边界条件。

5.根据权利要求4所述的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，其特征在于：

所述分析方法还包括网格剖分：依据功率变换单元模块结构尺度特征设置网格剖分规则，并依据仿真频率对导体表面进行网格加密设置以考虑集肤效应与邻近效应影响，同时对关注区域进行网格加密；还包括仿真分析求解：即利用有限元分析中的涡流场求解器，分别对各基本换流回路模型在各关注频点处进行扫频涡流场分析。

6.根据权利要求5所述的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，其特征在于：

所述功率变换单元在整个换流过程中包含N组(N为正整数)基本换流回路，其中，基本换流回路i在时刻t、空间点O(x,y,z)处产生的磁场辐射发射磁感应强度矢量B_Li(x,y,z,t)可表示为：

B_Li(x,y,z,t)＝B_Li(x,y,z)*cos(2πf*t+θ_i°) (1)

其中，i为不大于N的正整数，θ_i°为该基本换流回路i的回路电流初相位，x,y,z为空间点O的三维坐标，f为关注频点；

依下式，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，获取功率变换单元换流全过程中，在关注频点f处产生的总磁场辐射发射磁感应强度矢量B_L(x,y,z,t)：

其中，θ(x,y,z)为空间点O(x,y,z)处总磁感应强度矢量B_L(x,y,z,t)的初相位。

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