多电飞机系统传导电磁干扰交互作用机理分析及建模

摘 "要：采用270V直流配电的多电飞机系统中电力电子设备众多，单一设备的传导电磁干扰很容易影响其他设备。为了探究复杂工况下设备间的传导电磁干扰交互作用机理，以DC/DC变换器、DC/AC逆变器和电机及其驱动器三种典型设备为研究对象进行研究。首先，对典型设备依据功能划分不同的运行工况。然后，分别建立了各设备的高频等效模型，在此基础上建立系统的高频等效模型。根据不同运行工况，分别研究设备间的电磁干扰交互作用机理。研究发现，设备间的电磁干扰交互作用既体现在干扰源的增加，又体现在新传导路径的引入，新传导路径会造成新的谐振问题。最后，仿真和实验结果表明，基于设备间电磁干扰交互作用机理搭建的仿真模型对谐振尖峰幅值的预测结果与实验误差在5dBμV以内，模型符合度很好，证明了机理分析和建模的正确性。

关键词：多电飞机系统；设备间电磁干扰；高频等效模型；干扰源等效；直流供电系统；电磁兼容

DOI：10.15938/j.emc.2024.07

中图分类号：TM85 " " " " " " 文献标志码：A " " " " "文章编号：1007 -449X（2017）00-0000-00（编辑填写）

Interaction mechanism analysis and modeling of conducted electromagnetic interference interaction in multi-electric aircraft system

XU Yiming1， DUAN Jiandong1， SUN Hongpeng2， ZHANG Tao2， ZHANG Gang1

（1. School of Electrical Engineering amp; Automation， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China;

2. Shenyang Aircraft Design and Research Institute， AVIC， Shenyang 110035， China）

Abstract： There are many power electronic devices in the multi-electric aircraft system with 270 V DC power distribution， and the conducted electromagnetic interference of a single device can easily affect other devices. In order to explore the mechanism of conducted electromagnetic interference interaction between devices under complex working conditions， three typical devices of DC / DC converter， DC / AC inverter and motor and its driver are studied. Firstly， the typical equipment is divided into different operating conditions according to the function. Then， the high frequency equivalent model of each equipment is established respectively， and the high frequency equivalent model of the system is established on this basis. According to different operating conditions， the electromagnetic interference interaction mechanism between equipment is studied respectively. It is found that the electromagnetic interference interaction between devices is not only reflected in the increase of interference sources， but also in the introduction of new conduction paths， which will cause new resonance problems. Finally， the simulation and experimental results show that the prediction results of the resonance peak amplitude of the simulation model based on the electromagnetic interference interaction mechanism between devices are within 5dBμV， and the model is in good agreement with the experimental results， which proves the correctness of the mechanism analysis and modeling.

Keywords： multi-electric aircraft system; electromagnetic interference between devices; high frequency equivalent model; equivalent interference source; DC power system; electromagnetic compatibility

0 引 "言

多电飞机系统采用270V高压直流配电，具有线路损耗小、重量轻且无需考虑无功补偿等优点[1-3]。但与此同时，大量功率开关器件和非线性大功率负载工作时会产生电流畸变和谐波等，造成严重的传导电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）问题[4]。考虑到飞机重量要求，很多设备采用的EMI滤波器较小，这种情况下即使各台设备的EMI在电磁兼容标准之下，组成系统时，整机仍然可能出现干扰超标的问题；甚至各设备自身的传导电磁干扰特性发生改变，传导EMI产生新的谐振峰，过高的EMI可能会对敏感设备产生影响，如武器系统误发射、生命保障系统失效等，严重的EMI问题可能造成机毁人亡的事故[5-7]。因此，研究多电飞机系统设备间EMI交互作用机理具有重要的意义。

目前，学者对EMI机理分析和建模方法进行了广泛的研究。文献[8-10]针对常见DC/DC变换器拓扑，研究DC/DC变换器的传导EMI机理，并对关键高频参数进行建模提取。文献[11-13]研究变换器中变压器对传导EMI的影响，提出了最小传导电磁干扰下变压器的设计原则。文献[14]研究了逆变器的EMI问题，分析了逆变器在不同运行工况及不同负载下的EMI问题。文献[15-17]研究了电机及其驱动系统的EMI问题，阐明了系统的干扰机理。建立了永磁同步电机、整流器和逆变器等的高频等效模型，并使用阻抗网络分析仪结合等效模型，拟合得到相关高频寄生参数，将参数带入仿真模型，仿真结果与实测结果符合度很高。文献[18]以不间断电源为例对多级变换器的EMI机理进行研究，分析了不同工况下不间断电源中串接的逆变器和整流器的EMI问题。文献[19]以陆地上两台逆变器为例，分析了运行和停机等工况中设备间EMI交互作用的机理，并提出采用散热片浮地来抑制设备间的传导电磁干扰的方法。文献[20]以机载电力电子变换设备为研究对象，分析了对通信设备的干扰，并在实际系统中测试到了该影响，最后提出了加强屏蔽的改进措施。

综上，现有研究主要是针对陆地单一供电设备的EMI机理和建模方法展开研究，很少涉及到多电飞机系统多设备间的传导电磁干扰研究，缺乏相应系统级的传导EMI机理分析和建模方法。因此，本文以多电飞机270V高压直流配电系统中的DC/DC变换器、DC/AC逆变器和电机及其驱动器为研究对象，研究各设备在不同工况下的运行特点，分析各设备间的EMI交互作用机理。对各典型设备进行建模，提取各设备的高频寄生参数，搭建多电飞机系统仿真模型，最后进行实验验证，仿真和实验结果证明了理论分析的正确性。

1 多电飞机系统及各设备运行工况

1.1 多电飞机系统简述

在图1所示的多电飞机系统中，DC/AC逆变器通常与雷达设备相连，供油泵是典型的电机及其驱动器设备，DC/DC变换器将270V降成28V供航行灯使用，各设备分别经开关K1、K2和K3连接到270V直流母线。系统正常工作时，开关闭合，各设备挂载到直流母线上，称为挂网；若开关断开，各设备从系统中脱离，称为脱网。这些设备在飞机正常飞行过程中并不是一直处于运行状态，常常处于挂网停机状态，挂网停机设备仍可能会对运行的设备产生干扰，因此研究设备间电磁干扰交互作用具有重要的意义。

1.2 各设备运行工况

在图1所示的多电飞机系统中，对单个挂网设备有运行和停机两种工况，对整个系统有8种运行工况，系统中各设备都停机时不存在干扰，其余7种工况如表1所示。

本文研究思路为：在断路器K1、K2、K3闭合的前提下，先研究单个设备运行时EMI交互干扰情况，然后推广到研究三个设备同时运行情况下的EMI交互干扰情况。

表1中所示工况可以分为二大类，第一类是系统中存在挂网停机设备，如：工况1、工况2、工况3、工况4、工况5和工况6；第二类是系统中不存在挂网停机设备，如：工况7。为充分说明系统中敏感设备与挂网停机设备和挂网运行设备之间不同的干扰交互作用机理，后文第3节分析将选取第一大类中的两种工况4和工况2，第二大类工况只有一种，选取工况7，同大类工况中的其他工况分析方法相似。

2 典型设备电磁干扰建模

对图1中展示的典型设备分别建立高频干扰模型，最后将各个设备的高频模型组合，得到系统级高频干扰模型。典型设备中的关键元器件，如线缆、电感、电容、IGBT和变压器等，采用对应的高频模型建模，忽略汇流排等器件的高频寄生效应。共模扼流圈虽然会在一定程度上抑制设备自身的传导电磁干扰，但多个设备组成系统时，设备间的交互干扰作用会改变设备自身的传导电磁干扰特性，为了更加清晰展示这种影响，考虑将共模扼流圈省略；此外，本文着重研究设备间电磁干扰交互作用机理，即分析交互干扰的干扰源和传导路径。共模扼流圈的作用是抑制电路中共模干扰，但不会改变干扰的基本传导路径，为简化分析过程，将其省略，得到典型设备的EMI传导路径模型。电磁干扰源的建模是基于等效替代原理，具体方法是将桥臂下管以及附属支路用等效的电压源来代替[21]。

2.1 DC/DC变换器模型

将实际存在的如线缆寄生参数、母线电容寄生参数、变压器寄生参数和滤波器寄生参数等高频参数纳入到模型中，得到的独立运行的DC/DC变换器高频电磁干扰模型，如图2所示。在实际系统中，不同器件寄生参数的数量级往往相差较大，根据参考文献[22]，对部分寄生参数进行忽略处理，得到DC/DC变换器高频简化模型，如图3所示。

图2中：ZGRID是两个LISN的共模（common mode，CM）阻抗、LDCcab1为输入线路电感，DC/DC直流斩波器的桥臂上管的集电极对地电容为CC1、桥臂下管的发射极对地电容为CE1、桥臂中点对地电容为CO1，Zc1为变压器耦合阻抗、ZT1为变压器绕组阻抗、CD1为整流二极管对地电容、ZDCfilt1为滤波器等效阻抗、LDCcab11为输出线路电感、ZDCload为负载等效阻抗。

由图3所示的高频简化模型可以得到DC/DC变换器等效电路模型，如图4所示，根据等效电路可以推导出DC/DC变换器独立运行时直流侧的CM电流，如式（1）。

式（1）中：ZDCLcab1为输入线路阻抗、ZDCCcab1为输入线路对地阻抗、DC/DC直流斩波器的桥臂上管的集电极对地阻抗为ZC1、桥臂下管的发射极对地阻抗为ZE1、桥臂中点对地阻抗为ZO1、ZD1为整流二极管对地阻抗、ZDCcab11为输出线路阻抗。

； （1）

。 （2）

2.2 电机及其驱动器模型

图5为独立运行的电机及其驱动器的高频电磁干扰模型，其大多数器件的高频参数建模与上文DC/DC变换器相同，不再赘述。参考文献[23]，建立永磁同步电机高频模型，对电路中的部分寄生参数进行忽略处理，得到图6所示的高频简化模型。

图5中：LDCcab2为输入线路电感、电机驱动器内部为三个IGBT桥臂，其中每个桥臂上管的集电极对地电容CC2、桥臂下管的发射极对地电容CE2、桥臂中点对地电容为CO2、LACcab2为输出线路电感。

由图6所示的高频简化模型可以得到电机及其驱动器等效电路，由图7所示，根据等效电路可以推导出电机及其驱动器独立运行时直流侧的CM电流，如式（3）。

图7 "独立运行的电机及其驱动器等效电路模型

Fig. 7 "Equivalent circuit model of independent motor and its driver

式（3）中：ZDCLcab2为输入线路阻抗、ZDCCcab2为输入线路对地阻抗、电机驱动器中每个桥臂上管的集电极对地阻抗为ZC2、桥臂下管的发射极对地阻抗为ZE2、桥臂中点对地阻抗为ZO2、ZACcab2为输出线路阻抗、ZPMSM为永磁同步电机等效阻抗。

； （3）

。 （4）

2.3 DC/AC逆变器模型

图8和图9分别为独立运行的DC/AC变换器的高频电磁干扰模型和高频简化模型。

图9中，LDCcab3为输入线路电感、DC/AC逆变器内部为两个IGBT桥臂，其中各个桥臂上管的集电极对地电容为CC3、桥臂下管的发射极对地电容为CE3、桥臂中点对地电容为CO3、Zc3为变压器耦合阻抗、ZT3为变压器绕组阻抗、ZACfilt3为滤波器等效阻抗、LACcab3为输出线路电感、ZAC3为负载等效阻抗。

由图9所示的高频简化模型可以得到图10所示的DC/AC逆变器等效电路，根据等效电路可以推导出DC/AC逆变器独立运行时直流侧的CM电流，如式（5）：

式（5）中：ZDCLcab3为输入线路阻抗、ZDCCcab3为输入线路对地阻抗、DC/AC逆变器中单个桥臂上管的集电极对地阻抗为ZC3、桥臂下管的发射极对地阻抗为ZE3、桥臂中点对地阻抗为ZO3、ZACcab3为输出线路电感。

； （5）

。 （6）

2.4 系统级电磁干扰模型

将各设备独立运行时的高频简化模型组合，得到本文研究的多电飞机系统的高频简化模型，如图11所示。

3 多电飞机系统设备间电磁干扰交互作用机理分析

3.1 工况4

首先，对图12所示的高频简化模型进一步处理，得到工况4的系统等效电路模型，如图13所示。由图13可知，DC/DC变换器的干扰电流传导路径受电机及其驱动器和DC/AC逆变器的影响。电机及其驱动器和DC/AC逆变器停机，自身对外不会产生干扰，但由于设备挂载在270V直流母线上，设备中的IGBT桥臂会为DC/DC变换器的干扰电流形成新的传导路径。具体为IGBT桥臂上管对地电容3CC2和2CC3、IGBT桥臂下管对地电容3CE2和2CE3、以及线路电感LDCcab2/2和LDCcab3/2等。为研究方便，将新增加的传导路径进行合并，则新路径的阻抗为：

。 （7）

式中：ZBUS2=3ZC2+3ZE2+2ZDCCcab2、ZBUS3=2ZC3+ 2ZE3+2ZDCCcab3。

此时的CM电流 可以表示为式（8）。对比式（3）和式（8），挂网停机的电机及其驱动器和DC/AC变换器改变了DC/DC变换器传导电磁干扰路径。结合图12和图13对式（8）进行分析，可知新传导路径中的LDCcab2/2、LDCcab3/2、CE2、CE3、CC2和CC3等一般都很小。低频段，ZDC2，3主要表现为较大的感性阻抗，由于ZDC2，3与LISN阻抗ZGRID并联，考虑到ZGRID仅为25Ω，故新增加的干扰路径不会对DC/DC变换器的传导电磁干扰产生明显影响。只有随着频率增加，新增加传导路径的阻抗ZDC2，3接近25Ω时，才会对DC/DC变换器的传导电磁干扰产生较为明显的影响。当频率较高时，考虑到变压器影响，Zc1+ZT1会是一个较大的值，故受交流输出侧影响较小，而CDCcab11、CIGBT1和CO1等相对较小，新传导路径ZDC2，3会加重传导干扰。

。（8）

图14为DC/DC变换器在工况4与独立运行时的传导干扰对比仿真波形图，由图可知，整个频段内工况4时的干扰幅值和独立运行时的干扰幅值差异不同，低频段幅值差异相对较小，干扰曲线几乎重合；高频段差异相对明显，最大差异可达8dBμV。

3.2 工况2

参考工况4的分析过程，对图15所示的高频简化模型进行处理，得到工况2的系统等效电路模型，如图16所示。新增加的传导路径具体为DC/DC变换器和DC/AC变换器中桥臂上管对地电容CC1和2CC3、桥臂下管对地电容CE1和2CE3、以及线路寄生电感LDCcab1/2和LDCcab3/2。为了研究方便，将新增加的传导路径进行合并，则新路径的阻抗为：

。 （9）

式中：ZBUS1=ZC1+ZE1+2ZDCCcab1、ZBUS3=2ZC3+ 2ZE3+2ZDCCcab3。

此时的CM电流 可以表示为式（10）。与工况4同理，对比式（5）和（10），发现挂网停机的DC/DC变换器和DC/AC变换器改变了电机及其驱动器传导电磁干扰路径。结合图15和图16对公式（10）进行分析，可知新的传导路径中的LDCcab1/2、LDCcab3/2、CE1、CE3、CC1和CC3等一般都很小。在低频段，ZDC1，3主要表现为较大的感性阻抗，由于ZDC1，3与LISN阻抗ZGRID并联，考虑到ZGRID仅为25Ω，故新增加的干扰路径不会对DC/DC变换器的传导电磁干扰产生明显影响。只有随着频率增加，新增加传导路径的阻抗ZDC1，3接近25Ω时，才会对DC/DC变换器的传导电磁干扰产生较为明显的影响。

图17为电机及其驱动器在工况2与独立运行时的传导干扰对比仿真波形图，由图可知，整个频段内工况2时的干扰幅值比独立运行时的干扰幅值要高，但各个频段的幅值差异不同，低频段幅值差异相对较小，高频段差异明显。

3.3 工况7

参考上述分析过程，对图18所示的高频简化模型进行处理，得到工况7的系统等效电路模型，如图19所示。对图19所示的等效电路模型进一步分析，分别计算DC/DC变换器、电机及其驱动器、DC/AC逆变器在DC/DC变换器直流侧产生的CM电流，然后运用叠加定理得到总的CM电流为：

。 " "（11）

工况7系统的等效电路较为复杂，直接分析困难，可以对无干扰源作用的设备简化，得到该设备总的阻抗。其计算结果如下：

； （12）

；（13）

； （14）

。 （15）

上式中：Z1、Z2和Z3分别为DC/DC变换器、电机及其驱动器和DC/AC逆变器等效CM阻抗； 、 和 分别为仅考虑DC/DC变换器干扰源VCM1、电机及其驱动器干扰源VCM2和DC/AC逆变器干扰源VCM3时在DC/DC变换器输入侧产生的干扰电流。

相比工况4，工况7中挂网运行的DC/AC变换器和电机及其驱动器对DC/DC变换器的影响主要体现在如下两个方面：

1）DC/DC变换器的干扰电流传导路径变得更加复杂。分析DC/DC变换器中干扰源VCM1影响时，令VCM2和VCM3为0，得到图20（a）所示的等效电路模型。对比工况4时的图13，工况7中运行的DC/AC逆变器和电机及其驱动器会额外引入CO2、CO3、变压器等效阻抗Zc3+ZT3、以及ZPMSM等。由于ZGRID为25Ω，当频率较低时，Z2和Z3的阻抗会远大于25Ω，此时起主要作用的是ZGRID，Z2和Z3的影响较小。当频率较高时，Z2和Z3的并联阻抗接近或小于25Ω时，Z2和Z3才会对 产生明显影响，由于Z2中包含永磁同步电机等效阻抗ZPMSM，永磁同步电机是一个复杂的干扰系统，因此高频时干扰情况复杂。

2）干扰源VCM2和VCM3会在DC/DC变换器的直流侧产生干扰电流。分析干扰源VCM2影响，令VCM1和VCM3为0，得到图20（b）所示的等效电路模型。由图可知，干扰源VCM2的影响范围包括DC/DC变换器，会在DC/DC变换器的直流侧产生大小为的 干扰，从而对DC/DC变换器产生影响。

同理，干扰源VCM3也会在DC/DC变换直流侧产生大小为 的干扰。 和 对DC/DC变换器的具体影响将由其大小决定：若 或者 ，此时，DC/DC变换器自身产生的干扰为主要干扰，干扰源VCM2和VCM3产生的干扰将不会严重影响到DC/DC变换器；若 或者 ，此时，干扰源VCM2和VCM3产生的干扰都大于DC/DC变换器自身产生的干扰，则干扰源VCM2和VCM3产生的干扰将会严重影响到DC/DC变换器，影响程度视 和 大小而定；若 或者 ，此时，干扰源VCM2和VCM3产生的干扰至少有一个大于DC/DC变换器自身产生的干扰，则干扰源VCM2和VCM3产生的干扰将会影响到DC/DC变换器，影响程度视 和 大小而定。

综上，从干扰传导路径和干扰源两个部分，对工况7的电磁干扰交互作用机理进行分析。相比工况2和工况4中挂网停机设备，工况7中挂网运行设备，除了仍然会引入新的传导路径外，还会引入新的干扰源，新引入的干扰源对于DC/DC变换器的影响将由 、 和 大小确定。

图21为工况7与各设备单独运行时的传导干扰对比仿真波形图，由图可知，工况7整系统运行时的干扰波形并非各设备独立运行时波形的简单累加，0.1～2.8MHz频段总的干扰波形与PMSM单独运行的干扰波形较为形似，也即在此频段内电机及其驱动器是主要的干扰源；2.8MHz以后总的干扰波形近似为在DC/DC单独运行时波形为基波基础上的叠加，即此时系统受DC/DC变换器干扰影响较大。此外，在8MHz频率附近出现了幅值为68dBμV的谐振尖峰，这是由于干扰传导路径改变造成共模阻抗的改变，进而引发新的谐振尖峰，仿真结果验证了上述机理分析过程的合理性，进而证明了本文提出的关于多电飞机系统设备间交互电磁干扰作用机理分析的正确性。

4 实验验证

多电飞机系统实验平台如图22所示，主要包含DC/DC变换器、DC/AC逆变器、电机及其驱动器、LISN、频谱分析仪和断路器箱等。实验中270V直流电经同步发电机整流滤波产生，且实验过程中电压保持稳定。

使用阻抗分析仪对各设备的母线电容、IGBT对地电容和线缆阻抗等参数进行测量，可以得到相关设备的阻抗特性曲线，参考[22]和[23]等文献的寄生参数提取方法，再使用最小二乘法进行曲线拟合，即得到各设备的高频等效参数如表2所示。

图23为系统各设备同时运行与各设备单独运行时的传导干扰对比波形图，由图可知，系统各设备同时运行时的干扰波形并非各设备独立运行时波形的简单累加，在低于3MHz频率时，系统总的干扰波形与PMSM单独运行的干扰波形较为形似，也即在此频段系统受电机及其驱动器干扰影响较大；高于3MHz频率时的波形变化较为复杂，首先，受各设备间干扰交互作用影响，整系统运行时的谐振频率相较各设备单独运行时的谐振频率会降低；其次，整系统运行时的谐振幅值相较各设备单独运行时的谐振幅值会提高，且在8MHz频率附近出现幅值为64dBμV的新谐振尖峰。

上述现象主要是因为设备间的高频寄生参数相互影响，改变各设备的传导干扰路径，进而改变系统的传导干扰电流。0.1MHz～3MHz频段的干扰变化趋势以及8MHz频率附近新产生的谐振尖峰预测误差仅为4dBμV等皆表明，实验结果与仿真结果相吻合，验证了多电飞机系统电磁干扰建模的合理性和正确性，进而证明了本文提出的关于多电飞机系统设备间交互电磁干扰作用机理分析的正确性。

5 结论

本文针对多电飞机系统中的DC/DC变换器、DC/AC逆变器和电机及其驱动器三种典型设备，从干扰源和干扰传导路径角度，分析了挂网运行与停机等复杂工况下各设备间的EMI交互作用机理。最后，通过仿真和实验，验证了机理分析的正确性。本文得出以下结论：

1）多电飞机系统各设备间传导电磁干扰交互作用严重，挂网中的设备不再是孤立的运行单元，设备中的高频干扰源除影响自身外，还会对系统中的其他设备产生影响。仿真和实验皆表明，挂网运行的电机及其驱动器会在0.1MHz～3MHz频段产生较严重干扰。因此，对敏感设备的传导电磁干扰分析应充分考虑系统中其他设备的高频干扰源影响，尤其是考虑电机及其驱动器设备的影响。

2）设备间的电磁干扰交互作用既体现在干扰源的增加，又体现在新传导路径的引入，新引入的传导路径通常在不同频段展现出不同的特性，进一步使设备的传导EMI问题复杂化，最重要的是新传导路径造成共模阻抗的改变，进而引发文中模型所示出现在8MHz频率附近新的谐振尖峰。为此，从干扰传导路径角度考虑可以采取如散热片浮地等措施来抑制设备间的电磁干扰交互作用问题。

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（编辑：刘素菊）