隨著半導體器件功率等級提高、開關速度加快，開關過程引起的電磁干擾（EMI）問題也日漸突出。與傳統的EMI問題不同，電力電子系統的EMI問題由功率半導體器件的開關瞬態過程引起，其本質上是一個能量瞬變問題而非訊號傳輸問題，變換形式為脈衝型而非連續型波形，傳輸載體和路徑本質上是空間電磁場而非僅是電路電壓電流。這三個特點決定了傳統上從訊號傳播、正弦週期量變換和集總引數等效電路的角度研究EMI的方法難以揭示電力電子系統EMI問題的本質特點和規律。
為此，電力系統及發電裝置安全控制和模擬國家重點實驗室（清華大學電機系）的科研人員賈聖鈺、趙爭鳴、施博辰、朱義誠，在2021年第11期《電工技術學報》上撰文，從能量脈衝和電磁場瞬變過程的角度，對電磁場和載流子場耦合作用下的電力電子系統中的電磁脈衝進行建模分析。建立了面向電力電子系統EMI機理研究的三維電磁場數值模型，解算了微納秒級開關瞬態過程中功率器件內部和空間中電磁場的分佈及變化情況，並從數值計算和原理分析角度驗證了所建三維電磁場數值模型的正確性。該研究成果為電力電子系統EMI機理研究提供了有效的數值分析基礎。
電力電子技術的高速發展對功率半導體器件的功率等級、開關頻率和響應速度的要求越來越高。在這樣的要求下，以碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶功率半導體器件由於具有更好的開關特性，成為研究和應用中的熱點。但是，寬禁帶半導體器件更快的開關速度，會引起空間電磁場更加劇烈的變化，由此產生的負面影響之一就是更加嚴重的電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）。
EMI問題有三個要素：干擾源、傳播路徑和敏感元部件。本研究成果聚焦於電力電子開關過程中的EMI問題，此時干擾源主要為電力電子開關過程中的瞬變電磁脈衝；傳播路徑主要為沿導線傳導、近場耦合和遠場輻射三種，並依據傳播途徑的不同將EMI分為傳導、近場耦合、遠場輻射三種。
敏感元部件主要為電路中的電容、電感，控制訊號迴路，以及附近其他弱電裝置等。由於電力電子裝置中存在較大的di/dt、dv/dt，驅動控制迴路與電磁能量回路距離近等因素，導致電力電子裝置中EMI問題突出，經常帶來異常脈衝、裝置損壞等嚴重的後果。
在研究EMI方面研究人員已經做了很多工作。在傳導和近場耦合EMI方面，主要集中於EMI的建模和抑制方法研究，多利用高頻下的等效電路模型進行建模，使用傅立葉分析的方法在頻域上進行研究。所使用的EMI抑制方法，也多為立足於電路分析的無源濾波器、有源濾波器、為噪聲電流提供通路的電路拓撲設計及副邊諧振技術等。
在輻射EMI方面的研究還較少，目前工作多集中於研究輻射EMI的建模、預測方法，建模時多利用帶雜散引數的電路模型、天線模型等。總的來說，現有的研究側重於EMI的建模、預測和抑制，使用的研究方法多為等效電路模型、等效偶極子輻射模型及頻域分析等。
與傳統電氣裝置的EMI問題不同，電力電子系統的EMI問題根源是功率半導體器件的開關瞬態過程，其本質上是一個電磁能量瞬變問題，變換形式為脈衝型，傳輸載體和路徑對近場耦合和遠場輻射EMI來說是空間電磁場，對傳導EMI來說可以認為是沿電路導體的電壓電流，但其物理本質也是電磁。這三個特點決定了傳統上從訊號傳播、正弦週期量變換和集總引數等效電路角度研究EMI的方法難以揭示電力電子系統EMI問題的本質特點和規律。
因此，清華大學科研團隊從能量脈衝和電磁場瞬變過程的角度，對電磁場和載流子場耦合作用下的電力電子系統電磁脈衝進行建模分析，為開關瞬態過程EMI機理的研究建立三維電磁場數值模型。
圖1所選取的電力電子變換單元物理模型
該建模過程有三個難點：①由開關瞬態情形的特殊性決定了模型方程的複雜性；②模型的強非線性；③瞬態變化的快速性。科研人員針對這三個難點問題，建立了有效的三維電磁場數值模型，解算了微納秒級開關瞬態過程中功率器件內部和空間中電磁場的分佈和變化情況，並從數值計算和原理分析兩個角度驗證了所建模型的正確性，為從電力電子系統的物理本質出發對EMI進行機理研究提供了有效的工具。
科研人員以包含碳化矽MOSFET和二極體的互鎖開關、電容和負載的電路為例，給出了從物理模型向數值模型的轉換、對電磁脈衝的建模、解算結果的視覺化表徵、分析及正確性驗證的全過程，並從電磁場角度初步觀察提煉了EMI現象，從正確性和應用價值方面證明了該數值解算的有效性。與傳統電路理論相比，本數值解算方法建立了電路、電磁場與載流子場的耦合作用下的三維模型，不僅考慮了更全面的物理因素，而且能更直觀、本質地刻畫EMI現象，有利於對EMI產生、傳播及影響電路的機理進行深層次的研究。
科研人員在利用該數值模型研究EMI方面僅做了初步探索，未來將基於該模型繼續深化研究，提煉總結電力電子開關瞬態過程EMI的機理，形成數學和物理層面的表徵方法，更好地從理論層面為面向實際應用的工作提供指導。
以上研究成果發表在2021年第11期《電工技術學報》，論文標題為“電力電子系統電磁干擾數值建模分析”，作者為賈聖鈺、趙爭鳴 等。
