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固体继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关器件。它利用电子元件的电、磁和光特性,可以无触点、无火花地接通和断开被控电路,具有寿命长、灵敏度高、控制功率小、转换速度快等优点,广泛应用于工业、军事、航空航天等领域中。 随着我国空间技术的迅速发展,国防武器装备集成化程度的提高,对固体继电器的电磁兼容性能提出了更高的要求。目前,固体继电器的电磁兼容分析仍以实验测试为主,发现问题后才采取补救措施,增大了产品开发成本和研发周期,并且可供选择的噪声抑制、干扰防护手段有限,严重制约军用整机和武器装备可靠性的提升。本文以某变压器耦合式直流固体继电器为研究对象,对其电磁兼容性分析方法进行了深入研究,对电磁兼容技术从事后检测处理向预先分析评估、预先检验和预先设计方向的发展具有重要的理论意义和实用价值。 首先,本文提出了基于分立元件综合构建的固体继电器电磁兼容建模方法。针对影响继电器电磁兼容性能的各关键元件,分别建立了电阻、电容、电感等无源元件的高频模型;建立了基于集总电荷原理的功率二极管高频模型和基于子电路建模方法的功率 MOSFET高频模型,并采用遗传算法提取模型参数;建立了考虑铁芯损耗和绕组铜耗的变压器高频模型,并采用实验测试法获得模型参数;建立了继电器印刷线路板的三维有限元模型,并通过有限元软件计算提取寄生参数。在此基础上,综合建立了该直流固体继电器的电磁兼容模型,模型完整、准确,仿真与实测结果误差小于4.31%。 其次,针对尖峰电压、电快速瞬变脉冲群、电压跌落与短时中断三种常见传导干扰,采用解析法建立了基于二阶振荡原理的尖峰电压和电快速瞬变脉冲群发生器等效电路模型,产生符合国标规定的干扰电压信号。结合已建立的固体继电器电磁兼容模型,分析不同类型和不同实验等级的传导干扰下固体继电器的传导敏感性能。 然后,将固体继电器工作时由较高 du/dt、di/dt产生的传导发射分为差模干扰与共模干扰,分析了两种模式的干扰在继电器中的传播路径,从而建立固体继电器的传导发射分析模型。提出了基于正交实验法的继电器参数优化设计方法,确定了影响传导发射大小的关键因素和最优参数组合,为继电器的电磁兼容设计提供了理论依据。文中进一步提出在继电器输入端串入 EMI电源滤波器的优化方案,实验表明继电器传导发射量下降38.5%,满足国军标规定。 最后,针对空间辐射干扰下固体继电器的辐射敏感性能,文中提出基于电磁拓扑理论的继电器辐射敏感性分析方法,推导了线缆耦合和孔缝耦合 BLT方程的具体形式。采用有限元方法分析了辐射干扰方向、继电器引脚长度、屏蔽壳开孔孔径对辐射敏感性能的影响。与电磁拓扑理论计算结果比较,误差小于15.52%。将固体继电器的辐射发射等效为印刷线路板上微带线的辐射发射问题,提出了基于混合位积分方程的继电器辐射发射分析方法,并指出EMI电源滤波器对辐射发射的抑制同样效果显著,干扰抑制前后辐射发射下降71.4%。 本研究对于提高固体继电器的设计质量、电磁兼容指标和可靠性指标具有重要的理论意义和实用价值,其关键技术可推广应用到其他电子设备及其系统的EMC分析与设计中。