Electromagnetic interference (EMI) modeling and prediction are essential for the design of most power electronics apparatuses. This article aims at finding a fast method to select time step for explicit solver-based simulation of high frequency low loss (HFLL) circuits like EMI filter. The state-space model of HFLL circuit is constructed and its eigenvalues are proved to be very close to the imaginary axis. Both the nondegenerate and degenerate circuit cases are discussed. During the analysis, a circuit lemma is summarized on how to transform degenerate circuit into nondegenerate circuit and the corresponding inversion of its coefficient matrix is derived based on Sherman–Morrison's formula. Then the Laguerre–Samuelson's inequality is employed to find the upper bound of HFLL circuit's eigenvalues. This process only requires two matrix multiplications and traces of the matrix operation results, thus keeping the computational complexity retaining in $O(N^2)$. A typical EMI filter is constructed and its equivalent circuit including the parasitic effects is extracted from ANSYS. This filter is simulated in application between a dc/ac converter and the grid using the fourth-order Runge–Kutta (RK4) solver with a time step selected by the proposed method. Numerical test shows that the spectrum results are very close to those obtained by experiment while being much more efficient than traditional methods, which demonstrates that this time-step selection method could benefit the analysis and time-domain simulation of HFLL circuits.

中文翻译：

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基于显式求解器的高频低损耗电路仿真的快速时间步长选择方法及其在EMI滤波器中的应用

电磁干扰 (EMI) 建模和预测对于大多数电力电子设备的设计至关重要。本文旨在为 EMI 滤波器等高频低损耗 (HFLL) 电路的基于显式求解器的仿真找到一种快速选择时间步长的方法。构建了HFLL电路的状态空间模型，证明其特征值非常接近虚轴。讨论了非退化和退化电路情况。在分析过程中，总结了如何将退化电路转化为非退化电路的电路引理，并根据Sherman-Morrison公式推导出其系数矩阵的相应求逆。然后使用 Laguerre-Samuelson 不等式来找到 HFLL 电路特征值的上限。这个过程只需要两次矩阵乘法和矩阵运算结果的迹，从而保持计算复杂度保持在$O(N^2)$。构建了一个典型的 EMI 滤波器，并从 ANSYS 中提取了包含寄生效应的等效电路。该滤波器在直流/交流转换器和电网之间的应用中使用四阶龙格-库塔 (RK4) 求解器进行仿真，时间步长由所提出的方法选择。数值测试表明，频谱结果与实验得到的结果非常接近，同时比传统方法的效率高得多，这表明该时间步长选择方法有利于HFLL电路的分析和时域仿真。从而使计算复杂度保持在 $O(N^2)$ 中。构建了一个典型的 EMI 滤波器，并从 ANSYS 中提取了包含寄生效应的等效电路。该滤波器在直流/交流转换器和电网之间的应用中使用四阶龙格-库塔 (RK4) 求解器进行仿真，时间步长由所提出的方法选择。数值测试表明，频谱结果与实验得到的结果非常接近，同时比传统方法的效率高得多，这表明该时间步长选择方法有利于HFLL电路的分析和时域仿真。从而使计算复杂度保持在 $O(N^2)$ 中。构建了一个典型的 EMI 滤波器，并从 ANSYS 中提取了包含寄生效应的等效电路。该滤波器在直流/交流转换器和电网之间的应用中使用四阶龙格-库塔 (RK4) 求解器进行仿真，时间步长由所提出的方法选择。数值测试表明，频谱结果与实验得到的结果非常接近，同时比传统方法的效率高得多，这表明该时间步长选择方法有利于HFLL电路的分析和时域仿真。该滤波器在直流/交流转换器和电网之间的应用中使用四阶龙格-库塔 (RK4) 求解器进行仿真，时间步长由所提出的方法选择。数值测试表明，频谱结果与实验得到的结果非常接近，同时比传统方法效率高得多，这表明这种时间步长选择方法有利于HFLL电路的分析和时域仿真。该滤波器在直流/交流转换器和电网之间的应用中使用四阶龙格-库塔 (RK4) 求解器进行仿真，时间步长由所提出的方法选择。数值测试表明，频谱结果与实验得到的结果非常接近，同时比传统方法的效率高得多，这表明该时间步长选择方法有利于HFLL电路的分析和时域仿真。