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功率变换器的瞬态电磁干扰特性研究

作　者: 严冬
导　师: 孙力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 功率变换器电机系统时域有限差分法微带线散热器模糊遗传算法
分类号: TM46
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着半导体集成电路的发展,器件的工作频率逐渐提高,功率变换器的电磁干扰问题也日趋严重。为此功率变换器的电磁兼容问题受到国内外学者和工程师们的广泛的关注,并采取针对性的研究。功率变换器电磁干扰不同于一般电磁信号,具有随机性、短时性和瞬态性等特点,因此电磁干扰机理分析与综合抑制问题的关键是功率变换器内瞬态电磁问题的正演和反演。正问题着重探究功率变换器内两种典型结构(微带结构和折皱表面结构)的瞬态电磁特性,逆问题则基于瞬态电磁特性的研究结果综合结构特征解决T型微带线串扰和柱齿型散热器辐射发射等电磁问题。首先,在分析涂覆介质层导体表面散射场的基础上,以完全匹配层时域有限差分法与试验相结合为手段,探究了印制线路板微带结构对表面波的散射特征。研究结果表明,微带结构印制线路板上支撑的表面波模是引起串扰的直接原因。进而提出了在T型微带线上开三角口的方法可实现对邻近微带线串扰的抑制,这对高速集成电路的设计和电磁干扰机理分析与抑制有实际参考价值。然后,采用完全匹配层时域有限差分法研究电机系统功率变换器中的另一种辐射结构——折皱表面结构的瞬态电磁特性。在分析折皱结构上方散射场和折皱空间内电磁波散射特征的基础上,以散热器为研究对象,给出瞬态电磁源激励下,散热器周围的电场分布,讨论散热器结构参数对散热器辐射增益的影响。并讨论多散热器之间的串扰与其相对位置参数之间的关系,研究结果表明,散热器之间的串扰与其之间的距离成反比。在低频段散热器之间的串扰与齿槽方向无关,印制线路板支撑的表面波传播是造成对临近散热器骚扰的主要途径。然而在高频段,散热器齿槽方向对串扰的影响明显,表明空间辐射是对临近散热器骚扰的主要途径,并且垂直于齿槽方向的辐射增益大于平行于齿槽方向的辐射增益。最后,以对微带结构和折皱表面结构的瞬态电磁特性正问题的分析为基础,对系统结构进行综合优化、抑制电磁干扰发射,对瞬态电磁逆问题的进行初步探索。提出一种自适应模糊遗传算法。该方法在传统遗传算法的基础上,设计了模糊控制器。该控制器能够动态、自适应地调整遗传算子的概率。与传统遗传算法相比,该方法效果明显,收敛速度快、全局性能好。根据光子带系结构地平面抑制表面波的特性,将该方法与完全匹配层时域有限差分法结合计算包括T型微带线信号完整性信息(串扰、失真和反射损耗)的适应度函数,重建光子带系结构地平面。最终反演结果表明:(1)光子带系结构地平面对T型微带线串扰的抑制效果明显,有效的减小了反射损耗和信号失真;(2)该方法可以通过给定S参数的权系数,调整各项信号完整性指标的权重,系统优化光子带系结构。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-28
  1.1 课题研究背景及意义  14-15
  1.2 国内外研究现状  15-17
  1.3 功率变换器内电磁环境  17-24
    1.3.1 功率变换器瞬态电磁骚扰源与干扰机理  19-21
    1.3.2 瞬态电磁场的目标与环境一体化建模  21-24
  1.4 瞬态电磁场分析方法  24-26
    1.4.1 解析法  24-25
    1.4.2 数值法  25-26
  1.5 本文主要内容安排  26-28
第2章瞬态电磁场问题建模与分析的关键技术  28-51
  2.1 引言  28
  2.2 瞬态电磁场问题的三维FDTD分析  28-32
  2.3 开域场问题的吸收边界处理  32-39
    2.3.1 非分裂PML吸收边界  32-38
    2.3.2 边界域媒质特征  38-39
  2.4 瞬态电磁激励源的建模  39-43
    2.4.1 激励源类型  40-41
    2.4.2 激励源设置  41-43
  2.5 参数提取技术  43-46
    2.5.1 微带结构散射参数矩阵  44-45
    2.5.2 特征阻抗  45-46
  2.6 PML-FDTD分析的有效性验证  46-50
  2.7 本章小结  50-51
第3章微带结构瞬态电磁特性  51-72
  3.1 引言  51
  3.2 非连续微带结构激励的表面波  51-54
  3.3 T型微带线的信号完整性分析  54-71
    3.3.1 T型微带线的阻抗匹配  54-58
    3.3.2 T型微带线的串扰  58-71
  3.4 本章小结  71-72
第4章折皱表面结构的瞬态场分布特性  72-90
  4.1 引言  72
  4.2 散热器瞬态电磁效应  72-84
    4.2.1 激励源建模  73
    4.2.2 散热器辐射增益  73-74
    4.2.3 FDTD分析  74-84
  4.3 多散热器串扰问题的时域分析  84-89
    4.3.1 散热器串扰机理  84-85
    4.3.2 散热器之间的串扰系数  85
    4.3.3 FDTD分析  85-89
  4.4 本章小结  89-90
第5章模糊遗传算法优化系统结构抑制干扰发射  90-108
  5.1 引言  90
  5.2 电磁逆问题的自适应模糊遗传算法  90-95
    5.2.1 策略参数的模糊控制器设计  92-95
    5.2.2 AFGA算法性能测试  95
  5.3 AFGA在抑制T型微带线串扰问题中的应用  95-101
    5.3.1 基于FDTD法S参数计算的适应度函数  96-97
    5.3.2 仿真研究  97-101
  5.4 AFGA在柱齿型散热器结构重建中的应用  101-107
    5.4.1 基于散热器辐射增益的适应度函数设计  102-103
    5.4.2 染色体编码  103-104
    5.4.3 仿真研究  104-107
  5.5 本章小结  107-108
结论  108-110
参考文献  110-119
攻读学位期间发表的学术论文  119-121
致谢  121-122
个人简历  122

功率变换器的瞬态电磁干扰特性研究

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