曹先貴，王 毅

（西安清泰科新能源技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

關(guān)鍵字：電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；EMC 標(biāo)準(zhǔn)；EMC 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

引言

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源及將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)鍵設(shè)備，在電力轉(zhuǎn)換的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的傳導(dǎo)及輻射騷擾信號(hào)，是電動(dòng)汽車EMC 問(wèn)題的主要零部件之一[1-2]。

由于監(jiān)管機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制要求及各車廠出于提高自身競(jìng)爭(zhēng)力的考慮，目前設(shè)計(jì)人員已對(duì)電動(dòng)汽車的EMC 問(wèn)題做了較多的研究，相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也日益為人們所熟知。其中GB/T 18655—2018《車輛、船和內(nèi)燃機(jī)無(wú)線電騷擾特性 用于保護(hù)車載接收機(jī)的限值和測(cè)量方法》是零部件廠商應(yīng)用最為廣泛的EMC 標(biāo)準(zhǔn)之一，該標(biāo)準(zhǔn)在新修訂的內(nèi)容中增加了對(duì)高低壓部件的適用性部分，包括高低壓耦合的測(cè)量方法及高壓部分的限值等，并在附錄I 高壓部件的示例中提到帶電機(jī)的逆變器。但該標(biāo)準(zhǔn)未限定測(cè)試中電機(jī)及控制器應(yīng)處于的工作狀態(tài)，根據(jù)文獻(xiàn)的研究[3]，不同工作狀態(tài)下電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)及發(fā)射騷擾性能在不同頻段有不同的表現(xiàn)。除此之外，工業(yè)與信息化部在2018 年推出了針對(duì)性適用于電動(dòng)汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMC 標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36282—2018《電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》，此標(biāo)準(zhǔn)從整車應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輻射騷擾限值、輻射抗擾及傳導(dǎo)抗擾、靜電放電抗擾都做了全面的要求，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較為全面的EMC 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)測(cè)試時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)處于的工作狀態(tài)做了明確要求，得到了認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。

EMC 測(cè)試往往是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試的后期環(huán)節(jié)，同時(shí)也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，若EMC 測(cè)試的效果不理想，可能導(dǎo)致開(kāi)發(fā)過(guò)程較多的重復(fù)，同時(shí)由于EMC 測(cè)試資源緊張，其測(cè)試費(fèi)用也十分高昂，廠家一般都難以預(yù)留充足的EMC 測(cè)試整改時(shí)間。因而，在設(shè)計(jì)階段對(duì)影響EMC 性能的關(guān)鍵因素做較為充分的考慮，在方案設(shè)計(jì)中對(duì)可能存在的EMC 問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)消除，是設(shè)計(jì)工程師必須考慮的內(nèi)容。

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMC 影響因素分析

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)及逆變器，逆變器將蓄電池提供的高壓直流電轉(zhuǎn)換為三相交變電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 騷擾來(lái)源

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的逆變器部分包含動(dòng)力電轉(zhuǎn)換單元及低壓轉(zhuǎn)換電源，這兩部分電路分別會(huì)產(chǎn)生不同頻次及幅值的騷擾信號(hào)，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要的騷擾信號(hào)來(lái)源。

圖1 中S1～S6 為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，通常為IGBT 或MOSFET器件，其工作頻率一般在10 kHz 至50 kHz 之間，開(kāi)關(guān)器件通過(guò)銅排或疊層母排與母線電容連接，母線電容可以吸收開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的高頻紋波電流。開(kāi)關(guān)頻率通常不在標(biāo)準(zhǔn)考核的傳導(dǎo)及輻射騷擾頻段以內(nèi)，但由于連接通路上寄生參數(shù)的存在，開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)的電壓電流震蕩，該震蕩頻率與具體寄生參數(shù)有關(guān)，通常分布在5 MHz～20 MHz[4]。圖2、圖3 分別為IGBT 模塊連接回路寄生參數(shù)示意及某控制器脈沖實(shí)驗(yàn)測(cè)試到的IGBT 模塊關(guān)斷過(guò)程中的電壓震蕩波形。其中ESR 及ESL 為回路寄生電阻、電感，Coes、Cies、Cres為IGBT 模塊的寄生電容。

圖2 IGBT 連接回路寄生參數(shù)

圖3 IGBT 模塊關(guān)斷瞬態(tài)波形

通過(guò)儀器測(cè)試，該連接回路的寄生電感為35 nH，IGBT單元的規(guī)格書中提供的輸出等效電容為2.9 nF，可以計(jì)算出回路諧振頻率為15.8 MHz，與測(cè)試波形中的震蕩頻率基本一致，且通過(guò)波形可以看出，該瞬態(tài)信號(hào)在電壓及電流信號(hào)中都有表現(xiàn)，并可能通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路傳導(dǎo)至低壓電路部分。圖2 中還包含開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓上升速率du/dt等效的電壓騷擾信號(hào)，該上升時(shí)間約200 ns，通過(guò)傅里葉分析可以得到其諧波在開(kāi)關(guān)頻率至50 M 之間都有分布，幅值隨頻率升高而降低[5-6]。

低壓電源轉(zhuǎn)換電路及晶振電路也是騷擾產(chǎn)生的源頭，GB/T 36282—2018 標(biāo)準(zhǔn)中的窄帶測(cè)試便是主要針對(duì)這一部分。由于功率密度的限制，低壓電源轉(zhuǎn)換電路多數(shù)均使用開(kāi)關(guān)電源，典型的有Flyback、Buck 等電路形式，目前主流的管理芯片如TI 公司的TPS54331 等，開(kāi)關(guān)頻率約為500 kHz左右，是傳導(dǎo)騷擾及部分標(biāo)準(zhǔn)中輻射騷擾關(guān)注的低頻段區(qū)域。典型的微控制芯片如TI 公司的TMS320FC2000 系列及Infenion 公司的XC166 系列，工作主頻均在100 MHz 以上，適配的外部有源晶振集中于20 MHz 附近，也屬于傳導(dǎo)騷擾及輻射騷擾監(jiān)測(cè)的頻率范圍。

除以上電路部分外，控制器調(diào)制方式引起的電機(jī)等效中性點(diǎn)對(duì)地的共模電壓，也是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中固有的騷擾來(lái)源[5,7-8]。

1.2 傳播路徑

傳導(dǎo)騷擾信號(hào)可以分為差模信號(hào)和共模信號(hào)，功率開(kāi)關(guān)過(guò)程及低壓電源轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的干擾同時(shí)包含差模和共模，而調(diào)制方式導(dǎo)致的電機(jī)中性點(diǎn)電壓跳變，主要是共模信號(hào)[9]。差模信號(hào)及共模信號(hào)在回路中的傳播路徑如圖4 所示。

圖4 兩種傳導(dǎo)路徑

其中C1 為直流輸入線纜對(duì)地的寄生電容，C2 為IGBT芯片通過(guò)散熱基板對(duì)地的寄生電容，C3 為定子繞組對(duì)電機(jī)軸及殼體的分布電容。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMC 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)上一節(jié)對(duì)騷擾發(fā)生源及傳播路徑的分析，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一個(gè)整體，對(duì)外部造成的EMI 問(wèn)題主要存在于以下幾點(diǎn)：

（1）通過(guò)高壓直流線纜對(duì)其他用電零部件的傳導(dǎo)騷擾。

（2）通過(guò)低壓信號(hào)線纜對(duì)其他用電零部件的傳導(dǎo)騷擾。

（3）通過(guò)電機(jī)及控制器殼體對(duì)外的輻射騷擾。

（4）通過(guò)交直流高壓線束、低壓信號(hào)線束（通常無(wú)屏蔽）對(duì)外的輻射騷擾。

以上也是各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車零部件EMI 重點(diǎn)考核的項(xiàng)目，包括傳導(dǎo)騷擾測(cè)試及發(fā)射騷擾測(cè)試，因而控制器及電機(jī)設(shè)計(jì)中主要的應(yīng)對(duì)措施有：

（1）電機(jī)控制器的高壓直流線纜輸入端，應(yīng)設(shè)置合適的濾波器，通常采用CLC 結(jié)構(gòu)。該濾波器可以阻擋電機(jī)控制器內(nèi)部的騷擾信號(hào)通過(guò)直流線纜向外傳播，以形成更大范圍的傳導(dǎo)及輻射騷擾。

（2）電機(jī)控制器低壓對(duì)外線束應(yīng)設(shè)置整體的共模濾波器，以表面?zhèn)鲗?dǎo)騷擾信號(hào)通過(guò)低壓線束向外傳播，形成傳導(dǎo)及輻射騷擾，低壓信號(hào)線束在車上往往向多個(gè)零部件連接，難以形成完全屏蔽，因此易形成輻射騷擾。

（3）高低壓部分在電機(jī)控制器內(nèi)部應(yīng)設(shè)置空間隔離，以避免干擾信號(hào)在內(nèi)部以輻射騷擾的形式越過(guò)低壓部分的濾波器直接向外傳播。

（4）高壓直流線纜及三相線纜需使用屏蔽線纜，且連接設(shè)備的兩端均需要與接線端子做完全屏蔽連接，因?yàn)楦邏壕€纜上存在高頻信號(hào)，若不屏蔽易形成輻射騷擾，尤其在線纜較長(zhǎng)的情況下[10]。

（5）電機(jī)及控制器的密封部分若使用防水膠條，盡量使用可導(dǎo)電膠條，以免內(nèi)部的輻射干擾向外傳播。

（6）電機(jī)定子繞組對(duì)軸的寄生參數(shù)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小，以降低共模電流。

3 測(cè)試案例

針對(duì)一套額定功率為60 kW 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并按照GB/T 36282 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了摸底實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)參數(shù)如下：直流電壓：540 V；額定電流：160 A；額定轉(zhuǎn)速：4000 rpm；額定轉(zhuǎn)矩：145 N·m。

主要進(jìn)行的項(xiàng)目為寬帶發(fā)射試驗(yàn)，測(cè)試布局圖如圖5 所示。在測(cè)試中，高壓交直流線纜均使用屏蔽線纜且兩端屏蔽層均與機(jī)殼良好連接。

圖5 EMC 測(cè)試布局圖

由于實(shí)驗(yàn)室資源限制，測(cè)試過(guò)程中未采用標(biāo)準(zhǔn)建議的扭矩運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速的一半，空載模式。測(cè)試結(jié)果如圖6 所示，寬帶輻射騷擾度與GB/T 36282—2018 要求的限值存在較大余量。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)寬帶輻射測(cè)試結(jié)果

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMC 干擾來(lái)源及傳播路徑的分析，提出若干在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中針對(duì)EMC 問(wèn)題應(yīng)注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過(guò)對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)樣機(jī)的摸底測(cè)試，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)要點(diǎn)的有效性。