栏目介绍 

      为充分展现青年电气科技工作者的风采，搭建专业交流平台，促进青年人才之间的深度合作与创新，江苏省电工技术学会特别推出"电苑青年说"专栏。该专栏将定期推送优秀青年电气科技工作者的学术成果、创新实践及职业发展故事，旨在树立行业标杆，激发青年才俊的创新活力，为电气工程领域的可持续发展注入新生力量。

本期人物

周孟夏

      周孟夏，男，1992年生，南京师范大学电气与自动化工程学院讲师，硕士生导师，江苏省电气装备电磁兼容工程中心主任助理。主要从事功率变换器电磁干扰建模与抑制、高频器件建模、滤波器设计等方向的研究。主持江苏省高校自然科学研究项目1项、横向项目6项；以第一或通讯作者发表相关SCI/EI检索论文20余篇，授权发明专利2项以上。

*本期人选由江苏省电工技术学会电磁兼容专委会推荐

学术成果

      一、功率变换器电磁干扰抑制研究背景

      功率变换器的干扰抑制方案与其成本及功率密度的冲突一直以来都是工程师需要权衡的痛点问题。考虑到变换器中宽禁带半导体技术的应用趋势，该问题将变得更加严重。一方面低开关损耗与高开关频率，提高了变换器的功率密度，另一方面该技术又加剧了电磁干扰，需要更大尺寸的EMI滤波器进行抑制，这使得通过宽禁带技术获得的功率密度优势不复存在。此外，航空航天、军用设备、便携设备等特殊场景对功率变换器尺寸、重量及效率有着更为苛刻的要求，限制了传统EMI滤波器在上述场景中的应用。因此，功率变换器技术的优化与发展迫切需要可靠、有效的电磁干扰抑制技术作为支撑，尤其是兼顾抑制效果与功率密度的新技术。

      二、研究成果

      （1）基于压电陶瓷谐振设计的变换器EMI抑制技术压电陶瓷阻抗特性呈双模态：在谐振频率下形成低阻通路可实现EMI尖峰抑制，非谐振区则呈类电容特性。基于此，通过将压电陶瓷谐振频率与逆变器开关频率倍频点匹配，可构建复合滤波架构：谐振点精准抑制高频谐波，分担共模电感滤波压力，容性区辅助电感进行宽频滤波，从而降低电感体积需求，如图1所示。该方法需通过陶瓷尺寸设计实现谐振频率的精确调配。但是，压电陶瓷的多模态振动耦合会导致阻抗频响曲线中出现谐振峰分裂现象，造成峰位偏移与峰型畸变，材料本构参数与等效电路参数相互影响，难以独立提取。若对单振动模态下的参数进行反演，忽略模态间的耦合，造成的偏差将超过10%。因此采用DE算法-阻抗轨迹拟合联合优化方法解决上述问题。首先关联等效电路参数与本构参数，定义多模态阻抗模型Zmodel(f; θ)，然后基于适应度函数，通过DE算法全局寻优，反演出最优材料本构参数(dbest(m)，εTbest(m)，SEbest(m)，kbest(m))，再将最优本构参数代入Zmodel(f; θ)，获得压电陶瓷多振动模式下材料本构参数与几何尺寸跨尺度映射关系函数。

图1  压电陶瓷定频干扰抑制原理

(a) 压电陶瓷与Y电容的EMI抑制效果对比                                             (b) 压电与传统滤波器实物

图2  单压电滤波器与传统滤波器对比

      （2）基于压电陶瓷集成的变换器EMI抑制技术单片压电陶瓷谐振频率有限，如需抑制更多频率的离散干扰，则需将多个陶瓷集成。多片压电陶瓷集成时，连接界面的机电耦合效应会影响单片陶瓷的固有谐振特性，因此需进行弱耦合条件下连接尺寸的阈值研究，如图2所示。首先根据压电陶瓷集成结构，建立机电耦合矩阵；然后分析连接部分的几何参数(本例中为接触面积与厚度)对机电耦合系数kij的影响。通过FEM仿真和实验反演获得不同几何参数对机电耦合影响的权重系数，最终构建出机电耦合系数与间隙参数的量化关系方程。根据EMI离散尖峰特性，设定弱耦合阈值要求(如kij2≤10%，中心频率误差≤±1%)，基于量化关系方程，求解Scon和Dcon的尺寸阈值，指导弱耦合压电滤波器集成设计。

图3  压电陶瓷机电耦合系数与间隙参数的量化关系模型

(a) 压电集成与传统滤波器EMI抑制效果对比                                         (b) 压电、压电集成与传统滤波器体积与重量对比

图4  压电集成滤波器与传统滤波器对比

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