前言

电力电子技术在一般工业、电力系统、电气化交通、信息技术产业、航空航天、家用电器等方面得到了广泛应用，并逐渐在可再生能源发电、柔性交/直流输电、电动汽车、节能环保等方面发挥极其重要的作用。电力电子变换器在实现电能高效变换的同时，将不可避免地产生电磁能量，通过近场耦合和输入电源线进入电网，影响其他设备的正常工作。随着宽禁带半导体器件的应用以及电力电子变换器功率密度的提升，电力电子变换器产生的传导电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）越发突出，其电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）问题亟待解决。

噪声源、耦合路径和敏感设备是EMC的三要素，也是解决EMC问题的基本切入点。在实际产品的开发过程中，由于缺少对噪声源频谱特性的认识和耦合路径传输特性的理解，处理EMC问题通常是反复试凑、极为耗时的过程，解决EMC问题自然地被称为“Black Art”。为了深入认识电力电子变换器的传导EMI特性，指导其EMC设计，需要建立电力电子变换器的传导EMI模型、根据模型预测其传导EMI频谱并提出有效的抑制方法。我们研究团队通过十多年坚持不懈、持续不断的研究，在电力电子变换器传导电磁干扰的建模、预测与抑制方法上已取得较为系统和深入的研究成果，在IEEE Transactions on Industrial Electronics、IEEE Transactions on Power Electronics等本领域国际重要期刊上发表了一系列论文，并且在多个领域得到成功应用。为了全面系统阐述所取得的研究成果，我们决定将它们整理成书。

本书内容共分11章，包括电力电子变换器传导EMI的基本概念、AC-DC整流器、DC-DC变换器以及DC-AC逆变器的传导EMI。第1章简要介绍了EMC和EMI的基本概念，分析了电力电子变换器传导EMI的形成原因，并回顾了电力电子变换器传导EMI的研究现状和关键问题。第2章详细介绍了传导EMI测试中的主要设备，介绍其工作原理，并详细给出了EMI滤波器电路拓扑选择依据和滤波元件参数设计方法，以及EMI滤波器的一般设计流程。第3～5章围绕Boost PFC变换器，建立了其传导EMI模型，并预测了不同控制方式下Boost PFC变换器的传导EMI频谱，从而指导EMI滤波器的设计。第3章根据Boost PFC变换器的传导EMI产生的路径，分析了其共模、差模和混合干扰的产生机理，给出了混合干扰的抑制方法。在此基础上，推导了Boost PFC变换器的共模和差模干扰等效电路，给出了适合Boost PFC变换器的共模和差模滤波器结构，以及滤波器元件参数的设计方法。第4章针对平均电流控制的Boost PFC变换器，分析并给出了变换器在半个工频周期内电感电流全连续、部分连续/断续和全断续三种工作模式下的输入电压和负载条件。采用短时傅里叶变换分析半个工频周期内，三种工作模式下干扰电压源谐波的PK、QP和AV值，并推导出传导EMI谐波最恶劣的输入电压和负载条件，指导EMI滤波器的设计。第5章针对电流临界连续模式（Critical Conduction Mode，CRM）控制的Boost PFC变换器，采用短时傅里叶变换分析变换器的开关管漏源极电压以及共模和差模干扰电压的谐波频谱。根据EMI接收机的工作原理，进一步分析了变换器的PK、QP和AV干扰频谱特性，并揭示了它们与共模和差模干扰谐波频谱之间的关系。在此基础上，给出了CRM Boost PFC变换器传导EMI频谱最恶劣时的输入电压和负载条件，以指导EMI滤波器的设计。第6～9章针对隔离型DC-DC变换器，建立了通用的共模传导干扰模型，并提出了优化设计变压器绕组结构、屏蔽层结构、变换器的电路结构以及引入共模电压对消等共模传导干扰的抑制方法，从而减小共模EMI滤波器的体积重量。第6章分析了变压器原副边绕组分布电容的特点，并推导了一般绕组结构情形下，变压器集总电容的表达式，建立了通用的变压器集总电容模型，为分析隔离型变换器的共模传导干扰提供理论基础。在此基础上，推导了一般隔离型变换器的共模传导干扰模型，提出了等效干扰源的概念。应用等效干扰源，系统地分析了变压器绕组结构和变换器的电路结构对共模传导干扰的影响，并揭示了具有共模干扰自然对消特性的电路拓扑。第7章围绕变压器的屏蔽技术，提出了将单层屏蔽技术与绕组对消方法相结合的屏蔽绕组法以及将单层屏蔽技术与无源对消方法相结合的屏蔽-无源对消复合抑制方法，进一步抑制隔离型变换器的共模传导干扰。第8章针对采用移相控制的全桥变换器，推导了变换器的共模传导干扰模型，指出两桥臂中点到安全地的电压以及谐振电感电压是引起共模传导干扰的电压源。基于所建立的电路模型，提出了采用对称电路加无源对消的抑制方法，消除谐振电感电压以及两桥臂中点电压引起的位移电流，有效抑制了移相控制全桥变换器的共模传导干扰。第9章指出现有的共模干扰对消方法为并联补偿支路，根据对偶性提出了增加串联补偿支路的共模电压对消方法，并给出了共模电压对消方法在基本非隔离型和隔离型DC-DC变换器中的应用。第10、11章在第9章的基础上，分别针对非隔离型DC-DC变换器和DC-AC逆变器，提出了同时抑制变换器输入和输出侧共模电流的分裂绕组电路结构和共模电压对消方法，提高了电磁兼容性。

本书是基于我们研究团队的研究成果整理而成的，其中谢立宏博士和季清博士对本书前9章的内容做出了重要贡献。本书的第10、11章是谢立宏博士在英国布里斯托大学开展博士后研究的部分成果，这些研究工作得到了原熙博教授的支持。因此他们都是本书的合作作者。已毕业的硕士生朱昊楠对研究工作也有贡献，在此一并感谢。

本书的研究工作得到了光宝科技（广州）有限公司南京分公司合作项目“电力电子技术之研究开发”的资助，在此表示衷心的感谢！

本书的出版得到了机械工业出版社的大力支持，责任编辑罗莉女士为本书的出版做了大量工作，特此致谢！

阮新波

2023年6月于南京航空航天大学