王福堅(jiān)，謝佶宏，趙小羽，韋 勇，沈 陽

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545001）

近年來，隨著國家政策的鼓勵(lì)，電動(dòng)汽車憑借低碳出行的特性獲得了大眾的青睞，同時(shí)促進(jìn)電動(dòng)汽車行業(yè)得到蓬勃發(fā)展。伴隨電動(dòng)汽車的發(fā)展，其電磁兼容性能也備受關(guān)注。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件，因內(nèi)部包含功率變換器件，其工作時(shí)高電壓、大電流瞬變的工作特性，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為電動(dòng)汽車的主要干擾源之一。為了避免其他車載零部件因被電磁干擾導(dǎo)致無法工作，需要對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC優(yōu)化方法進(jìn)行研究，從而提高電動(dòng)汽車的可靠性和安全性。

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理

典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由控制電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，其中控制電路可以細(xì)分為開關(guān)電源、主控電路、檢測電路和保護(hù)電路等幾部分。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理框圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在汽車上的工作原理如下：動(dòng)力電池提供的直流電經(jīng)濾波以后輸入給智能功率模塊 （IPM），由CPU產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制IPM的開關(guān)動(dòng)作，將輸入的母線直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姡_(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的目的。其中，系統(tǒng)會(huì)采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置和三相線的實(shí)時(shí)電流，經(jīng)一系列變換后反饋給CPU作為閉環(huán)信號。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過流、過溫等問題時(shí)，保護(hù)電路判斷可以快速檢測并禁止PWM驅(qū)動(dòng)信號，從而保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整車的安全。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾機(jī)理

根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理可以分析其電磁干擾機(jī)理［1］。逆變電路產(chǎn)生的PWM驅(qū)動(dòng)信號除了基波，還含有復(fù)雜的高次諧波。除了控制電路的高頻時(shí)鐘信號、逆變電路的功率變換信號，系統(tǒng)不同電路中的非線性元件、雜散電容和電感也是產(chǎn)生高次諧波的主要原因。根據(jù)電磁兼容問題產(chǎn)生的三要素：干擾源、傳播路徑、敏感設(shè)備，需要從干擾源和傳播路徑兩個(gè)方面來分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾產(chǎn)生原因。

2.1 逆變電路的共模傳導(dǎo)干擾

對于逆變電路，其驅(qū)動(dòng)信號是經(jīng)PWM調(diào)制的矩形波，高、低電平分別驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的IGBT開通和關(guān)斷。但區(qū)別于理想的矩形波，實(shí)際電路的波形總會(huì)存在極短的開關(guān)切換時(shí)間，導(dǎo)致產(chǎn)生極陡的上升沿和下降沿。開關(guān)切換產(chǎn)生的du／dt干擾傳導(dǎo)到高壓側(cè)，并通過寄生電容耦合，形成共模電流。

對于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，定子繞組上產(chǎn)生的尖峰電壓會(huì)對電機(jī)定子線圈、金屬外殼、轉(zhuǎn)子軸承之間的寄生電容充放電，通過相線、寄生電容和搭鐵構(gòu)成回路，形成另一形式的共模電流。共模傳導(dǎo)干擾傳播路徑見圖2。

圖2 共模傳導(dǎo)干擾傳播路徑圖

2.2 逆變電路的差模傳導(dǎo)干擾

逆變電路工作時(shí)，產(chǎn)生脈沖電流di／dt，通過相線、電源線和搭鐵構(gòu)成回路，最終形成差模干擾。差模傳導(dǎo)干擾傳播路徑見圖3。

2.3 直流母線和三相線的輻射干擾

當(dāng)功率開關(guān)器件以高頻率工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的di／dt，其不僅會(huì)通過雜散電容產(chǎn)生干擾，而且作為一個(gè)電流變化率較大的單元，會(huì)變成輻射源，并通過直流母線和三相線以輻射的方式將電磁干擾傳播到敏感設(shè)備上。一般功率開關(guān)器件的電壓及功率等級越高，其工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁場輻射越強(qiáng)，并且具有很寬的頻譜［3］。

圖3 差模傳導(dǎo)干擾傳播路徑圖

3 常用電磁干擾抑制措施

電磁干擾的抑制措施有：屏蔽、濾波和搭鐵，這三大類措施包含了電磁兼容問題整改的大部分方法，經(jīng)過電磁兼容相關(guān)技術(shù)多年的發(fā)展，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)也得到豐富［2］。但是，這些措施在產(chǎn)品開發(fā)后期驗(yàn)證階段有工程化困難的問題，并且整改費(fèi)用較前期設(shè)計(jì)階段大幅增加，這也成為制約整改措施實(shí)施的主要困難。

4 展頻時(shí)鐘技術(shù)

展頻時(shí)鐘技術(shù)是通過將原本集中在單個(gè)頻率點(diǎn)上的電磁能量，分配到鄰近的頻率區(qū)間上，從而降低了能量的集中性。如果是因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)鐘頻率產(chǎn)生的電磁輻射超標(biāo)，則可應(yīng)用展頻時(shí)鐘技術(shù)以降低其峰值的幅值。

4.1 展頻時(shí)鐘生成原理

展頻時(shí)鐘生成的典型原理框圖如圖4所示，其采用鎖相環(huán)電路，展頻時(shí)鐘生成控制器內(nèi)部集成的波形生成器根據(jù)設(shè)置生成調(diào)制波形并輸出給N分離器，N分離器和相位比較器、低通濾波器、壓控振蕩器組成鎖相環(huán)，并調(diào)諧壓控振蕩器以產(chǎn)生目標(biāo)頻率。

圖4 展頻時(shí)鐘原理框圖

4.2 展頻時(shí)鐘生成參數(shù)

展頻時(shí)鐘生成控制器需要4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)以控制N分離器：①展頻深度δ——定義頻率擴(kuò)展范圍與原時(shí)鐘頻率的比值；②展頻類型——分為向上展頻、中心展頻或向下展頻；③調(diào)制率fm——定義為時(shí)鐘頻率擴(kuò)展的周期，在該周期內(nèi)時(shí)鐘頻率變化Δf并返回到原始時(shí)鐘頻率fc；④調(diào)制波形——分為三角波形或者“Hershey Kiss”波形，如圖5所示。

圖5 兩種調(diào)制波形

4.3 展頻時(shí)鐘抑制率S的計(jì)算

當(dāng)fsw＜＜fm＜＜fc時(shí)，EMI的抑制率S與調(diào)制率fm無關(guān)，其中fsw是頻譜分析儀的掃描速度。綜合展頻時(shí)鐘參數(shù)，如果采用中心展頻，可以根據(jù)公式 （1）計(jì)算展頻時(shí)鐘的抑制率S：

式中：δ——展頻深度；fc——原始時(shí)鐘頻率；B——頻譜分析儀的分辨率帶寬。

5 測試驗(yàn)證

以某純電動(dòng)汽車的EMC測試整改為例。該車在10m法暗室中依據(jù)GB／T 18387—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行EMC摸底測試。結(jié)果如圖6所示，車速64km／h時(shí)，在車輛右側(cè)X方向磁場16kHz頻率處超標(biāo)約3dB，同時(shí)在24kHz、32kHz等倍頻點(diǎn)存在明顯的較大尖峰，可判定存在以8kHz為基頻的干擾。

圖6 車速64km/h，磁場右側(cè)X方向峰值測試結(jié)果

對比測試發(fā)現(xiàn)，如圖7所示，車輛在無車速狀態(tài)下，8kHz倍頻干擾消失，且與各零件供應(yīng)商核實(shí)，僅電機(jī)控制器的工作電路存在8kHz開關(guān)頻率。通過多組不同工況的測試結(jié)果比對，最終確定由電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾導(dǎo)致磁場發(fā)射超標(biāo)。

6 整改措施

定位問題零件后，嘗試通過整改措施對干擾進(jìn)行抑制。

首先，對電機(jī)控制器母線全包覆銅箔并進(jìn)行良好搭鐵以優(yōu)化屏蔽效果。復(fù)測結(jié)果如圖8所示，16kHz頻率處輻射優(yōu)化約5dB，說明高壓線束的屏蔽處理對電機(jī)系統(tǒng)的低頻輻射有一定效果，但是效果不明顯，不能保證離限值有足夠的裕量。

其次，在PCB上母線側(cè)增加Y電容，使母線的共模電流對搭鐵旁路。復(fù)測發(fā)現(xiàn)，輻射有稍微降低，但是仍然超標(biāo)，說明增加母線Y電容對輻射有優(yōu)化，但是效果不明顯。

最后，應(yīng)用展頻時(shí)鐘技術(shù)，已知9kHz～150kHz的頻譜分析儀帶寬B為200Hz，原始時(shí)鐘頻率fc為20MHz，設(shè)定展頻深度為±0.0125%，展頻類型采用中心展頻，則可以根據(jù)公式（1）計(jì)算抑制率S為：

應(yīng)用展頻時(shí)鐘技術(shù)后，復(fù)測結(jié)果如圖9所示，16kHz頻率處輻射干擾幅值下降了13dB左右，優(yōu)化效果明顯。

圖7 車速0km/h，磁場右側(cè)X方向峰值測試結(jié)果

圖8 屏蔽措施應(yīng)用測試結(jié)果

圖9 展頻時(shí)鐘應(yīng)用測試結(jié)果 （最終效果）

最終，采用展頻時(shí)鐘技術(shù)對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行工程化整改，并使整車通過了GB／T 18387—2008測試。

7 結(jié)論

電動(dòng)汽車因高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)的同時(shí)存在，電氣化程度提高，電磁兼容環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致對電磁兼容問題的分析和優(yōu)化難度變高。在產(chǎn)品驗(yàn)證階段，展頻時(shí)鐘具有低成本且可以保證時(shí)鐘信號完整性、應(yīng)對更寬頻率范圍內(nèi)電磁干擾問題的優(yōu)點(diǎn)，相比其它抑制措施，具有提供系統(tǒng)層面解決方案的優(yōu)勢，可以節(jié)省開發(fā)費(fèi)用和驗(yàn)證時(shí)間，實(shí)踐證明也能取得滿意的整改效果。此外，在產(chǎn)品開發(fā)階段，同步實(shí)施電磁兼容正向開發(fā)流程和方法，做到零部件級別的風(fēng)險(xiǎn)管控和測試，從而減少后期整車的測試和整改，不失為一種更好的思路。