探索电力电子器件散热片的电磁辐射特性研究

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1、北方交通大学博士学位论文电力电子器件散热片的电磁辐射特性研究姓名：李蓉申请学位级别：博士专业：交通信息工程及控制指导教师：张林昌2001.9.1捅璺f【由于电力电子装鬻的不断高频化，将产生严重的电磁骚扰，干扰其它敏感设备一静求蜡工作。而作为电力电子装置中必不可少的部件一散热片与主要能量源相隔很近，且一般情况下其材料是金属的。当散热片的尺寸与能量源的波长可比拟时，其会增加电力电子装置的总的射频电磁辐射，而且散热片几何形状复杂，具有多频带的射频辐射特性，并安装在设备外部，因而，散热片很可能在一个或多个开关频率上起有效天线的作用，这些增加的电磁辐射可能会对周围的电子设备造成干扰

2、引起误动作。电力电子器件与散热片间存在耦合电容，其是电力电子电路产生共模辐射的主要原因之一。因此，作者对散热片电磁特性进行研究，试图定性、定量地确定散热片对电力电子装置的辐射特性影响，进而给出了减小教热片电磁特性影响的措施，确保整个EMC性能达标。当前国内外对散热片电磁兼容性的研究很少，主要有两大部分的内容。一方面是从散热片的电磁发射特性出发，另一方面是研究散热片对电子器件的噪声敏感度的影响01本文主要研究散热片的电磁发射的相关问题。采角MUR2吸收边界条件、多种激励源设置、时域近远场变换等方法，编制了针对电力电子器件上散热片的电磁辐射问题的FDTD程序。该程序的特点是考

3、虑了实际激励源的特性(如DC—Dc回路)，并充分考虑了散热片和电力电子装置作用下的模型，包括求解电力电子器件与散热片间的耦合电容以及时频域变换等等。给出了散热片与DC．DC回路作用的模型，采用FDTD计算了散热片对DC-DC四路电磁特性的影响。结果表明电磁场集中在回路范围内。因此在设计电路时，应避免导线回路的出现。而且10cm量级的散热片并没有显著加大兆赫频率激励源的电磁辐射，相反某些位置的金属散热片会吸收一部分电磁场，从而减小了整个空间的电磁辐射。因此可以这么说：兆赫频段散热片对整个电路的电磁辐射特性不会产生显著性影响。所以作者在以后的章节中主要讨论吉赫频段散热片对整个

4、电力电子电路的影响。一一I散热片与电力电子器件刚的电容耦合是电力电子电路产生共模辐射的主要原因之一。其对研究电力电子器件的辐射发射特别重要。然而长期以来人们计算该电容时都是采用静电场推导的电容公式近似。但在高频段，散热片和功率器件的尺寸与波长十日比拟，分布参数影响了陔耦合电容的取值。作者提出了采用FDTD法计算高频平行板耦合电容的构想，在电力电子器件散热片的计算模型中予以实现。结果表明，该耦合电容已经不能看作是简单常数，而是时变、频变的量。且在较低频段随频率升高快速减小。其数值与激励源的波形有关；对于本文所建的模型偏移中心北方交通人学博j。论文摘要激励耦合电容减小：散热片

5、的鳍对耦合电容影响很小；绝缘层相对介电常数越小，电导率越大，厚度越厚，电力电子器件尺寸越小，得到的高频耦合电容越小，但不是线性变化。所以在实际散热片的选择和安装过程前都必须对其的耦合电容进行预测，以期在满足散热要求的条件下得到最小的耦合电容。结论说明，我们不能用静电场推导的电容公式简单计算频率很高时的耦合电容，也可以这么说，某些低频时建立的概念解释不了频率很高时的物理现象。7研究了在频率很高时减小电磁辐射的几种方案，包括接地、屏蔽、改变激励源的位置。给出了接地增益的概念，可童接反映接地的效果。散热片的接地位置不同，对散热片的电磁特性会有影响。且接地点的个数越多并不意味着电

6、磁特性的改善。接地在低频段比高频段效果明显。选择四边中心接地方式，会有较好的效果。加屏蔽层后电场明显减小。但是对于不同的测试点屏蔽的效果不同。采用加屏蔽层这种减小耦合电容的方法对于减低远场辐射效果也很明显。电力电子器件不应该靠近散热片边缘，而应该靠近散热片中心。而且器件靠近中心。热性能良好，产生的EMI激励散热片的谐振也可能更小。如果散热片尺寸大的话，不将器件安装在散热片两端尤为重要。f对于主要作用是减小电子器件工作温度的散热片来说，不光要考虑良好的电磁兼容特性．良好的散热特性更为重要。而且电磁场也可能会影响散热片的散热特性。作者将热传播特性与电磁兼容性综合，把导热微分方

7、程离散化后结合到经典的FDTD方程中，计算连续脉冲电磁激励源激励下散热片上的温度分布。结果表明：由于电磁场辐射引起的温升很小，对于本文所建的电力电子器件散热片模型和激励源只有10。℃数量级。且温度升的空间分布和电场强度的分布一致。需要进一步研究空气对流对散热片散热的作用，以期达到散热片的散电磁兼容指标的前提下，使散热效率最高×还需要进一步研究散热片上小孔，小缝对热与电磁兼容性的折衷，也就是满足电磁特性产生影响，以及采用散热片的电力电子器件中多个激励源的综合作用。为电力电子装置的电磁兼容问题解决提供更多的指导。关键词：FDTD散