李建群

電動汽車DC-DC變換器傳導電壓法仿真研究

李建群

（廣汽埃安新能源汽車有限公司，廣州 510000）

本文提出一種場路協(xié)同仿真方法，可用于預測電動汽車DC-DC變換器傳導發(fā)射的電磁兼容性能。通過該方法得到電動汽車DC-DC變換器的傳導噪聲電壓，仿真與實測結果在量級、趨勢和尖峰方面都有很好的一致性，表明該方法有較好的可行性和準確性。所提方法僅需要版圖設計文件、磁心器件規(guī)格書、器件數(shù)據(jù)手冊和殼體三維模型就可以預測和評估變換器傳導發(fā)射的電磁兼容性能，因此特別適用于DC-DC變換器開發(fā)前期；同時也適用于此類問題的整改過程，只需要在仿真電路中進行調整輸出端濾波電容值、添加磁環(huán)等改進，就可以快捷而準確地評估改進前后的差異，為DC-DC變換器傳導干擾問題的定位和改善提供有力支撐。

DC-DC變換器；傳導發(fā)射；仿真；傳輸參數(shù)

0 引言

現(xiàn)代汽車逐漸向電動化、智能化、網聯(lián)化的方向發(fā)展，作為電動汽車低壓電氣設備的“公共電源”和蓄電池電力補充的DC-DC變換器，被稱為電動汽車電子電器的“心臟”，其電磁兼容性能的好壞決定電動汽車在車內外復雜電磁環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和安全性[1]。其中，DC-DC變換器傳導發(fā)射的電磁兼容性能尤為重要，傳導干擾會直接注入與DC-DC變換器相連的車內全部低壓電器，嚴重污染低壓電器的供電電路，甚至影響低壓電器的正常工作[2]。

目前，車載DC-DC變換器的電磁兼容性能是在樣件生產和調試完成后開展測試和評估的，國標GB/T 18655—2018《車輛、船和內燃機無線電騷擾特性 用于保護車載接收機的限值和測量方法》[3]對傳導電壓法的測試方法和限值有詳細的規(guī)定，如果測試結果超過限值，需要對DC-DC變換器內器件進行多次更改甚至修改電路，直到滿足要求。相比DC-DC變換器實物的測試和整改，產品工程師更希望通過仿真來預測和評估DC-DC變換器的電氣性能甚至電磁兼容性能。

車載DC-DC變換器主電路具有低壓大電流輸出、高低壓隔離等特點，通常采用變壓器隔離型Buck拓撲和開關管零電壓開通脈寬調制（PWM）控制方式的全橋變換器結構[4]?？衫脤I(yè)電源仿真軟件Simetrix對變換器電路進行仿真，求解器件的電流和電壓，計算得到不同變換器拓撲結構的電壓增益、導通損耗和變換器效率等電氣性能[5]。

在研究DC-DC變換器電磁兼容性能方面，有將有源和無源器件的高頻模型添加到車載電源的主電路中，在Saber軟件中搭建含高頻等效電路模型的車載電源的傳導干擾仿真電路，實現(xiàn)對比寄生參數(shù)、對地電容對不同位置傳導干擾影響的情況[6]；也有利用Matlab/Simulink對Buck、Boost等變換器進行電路方程和器件等效模型構建，仿真并比較兩種方法的瞬態(tài)變化和穩(wěn)態(tài)響應[7]。這些方法僅將無源器件和有源器件的寄生參數(shù)通過RLC簡單的并串聯(lián)等效電路來描述，定性分析了DC-DC變換器不同電路組成對傳導干擾的影響。在變換器的器件建模方面，明確了開關器件是電磁干擾（electro- magnetic interference, EMI）的主要噪聲源，開關器件的寄生振蕩是高頻EMI的重要組成部分，振蕩頻點會出現(xiàn)EMI峰值，通過開關器件分段暫態(tài)模型仿真得到電流頻譜與電流測量值有較好的一致性[8]。對于影響EMI的重要無源器件——磁心變壓器，通過比較多種建模方法，明確了有限元方法是分析幾何特性復雜的變壓器的非線性參數(shù)較優(yōu)選的方 法[9-11]。數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）對開關管驅動的仿真電路中也是通過算法轉換為電壓信號實現(xiàn)對功率開關管的控制[12]。

因此，本文以電動汽車用隔離型Buck拓撲的全橋DC-DC變換器為例，詳細說明利用有限元法得到磁心器件、印制電路板（printed circuit board, PCB）等無源器件等效模型的建模方法，驗證無源器件的電磁性能及功率開關器件SPICE模型的電氣性能后，進行傳導電壓法場路協(xié)同仿真，將協(xié)同仿真電路的計算結果與實測結果進行比較，以確認本文方法的準確性和合理性。

1 建立器件仿真模型

電動汽車DC-DC變換器中的磁心器件、金屬-氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semicon- ductor field-effect transistor, MOSFET）模型、控制電路和最容易忽略的公共地回路模型的準確性決定了傳導電壓仿真結果的準確性，在進行場路協(xié)同仿真之前，需要對這些器件/電路進行建模驗證其電氣性能。

用于仿真分析的電動汽車DC-DC變換器帶屏蔽結構仿真模型如圖1所示，包含磁心器件、PCB、金屬殼體和屏蔽罩等。

圖1 DC-DC變換器帶屏蔽結構仿真模型

1.1 磁心器件建模

磁心變壓器和磁心電感都選用平面磁心，磁心直接裝配在PCB上，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。磁心選用型號為LP10的寬溫低功耗的錳鋅鐵氧體材料，材料參數(shù)見表1。

表1 LP10型磁心材料參數(shù)

從磁心器件的器件規(guī)格書和PCB版圖文件可知，磁心變壓器和磁心電感的繞組都是印制在PCB上，既利用PCB嚴格的層疊結構確保了器件的一致性，又有利于提高DC-DC變換器的功率密度。

三維電磁場有限元模型是用于傳導發(fā)射電壓法的場路協(xié)同仿真計算，傳導發(fā)射電壓法測量的頻率范圍為150kHz～108MHz，故設置DC-DC變換器有限元模型的求解頻率為100MHz，掃頻范圍為150kHz～108MHz。進行網格剖分和局部網格加密后滿足收斂要求的完整DC-DC變換器三維模型網格如圖2所示，在幾何和材料變化邊界處為較好的等邊三角形。

DC-DC變換器中的變壓器既可以實現(xiàn)用電的分支電路與整個電氣系統(tǒng)隔離，保證供電電路和負載電路互相絕緣，又可以將一次側的脈沖矩形波傳遞到變壓器的二次側得到另一個電壓幅值的交流正弦波，確保能量傳輸，還能減少電路間的互相干擾。

圖2 完整DC-DC變換器三維模型網格

在變壓器一、二次繞組接頭處添加端口進行仿真，提取傳輸參數(shù)矩陣得到等效模型，磁心變壓器一、二次電阻和電感參數(shù)曲線如圖3所示。

磁心變壓器仿真計算的電感值和電阻值見表2。對比器件規(guī)格書，磁心變壓器一、二次側的交流、直流電感的標稱值與仿真值在量級和趨勢方面有很好的一致性，從而明確了磁心變壓器電磁性能參數(shù)滿足設計要求。

根據(jù)表2進一步計算得到磁心變壓器的匝數(shù)比約為14:1，滿足電壓調節(jié)的要求。漏感占比約1.7%，滿足變壓器漏感占比一般小于2%的要求。磁心材料為空氣和磁心材料為LP10的變壓器磁力線分布如圖4所示，可知增加磁心的厚度可以進一步減小變壓器漏感。

圖3 磁心變壓器一、二次電阻和電感參數(shù)曲線

圖4 磁心材料為空氣和LP10的變壓器磁力線分布

磁心電感結構相對比較簡單，在電感繞組兩端添加端口進行求解，采用提取寄生參數(shù)和傳輸參數(shù)矩陣兩種方法得到磁心電感等效模型。通過等效模型計算磁心電感的正向傳輸系數(shù)21，磁心電感正向傳輸系數(shù)頻譜如圖5所示，由于RLC有適用頻寬限制，即提取寄生參數(shù)法的有效頻段是有限的，不能計算得到高頻段的耦合特性，而全波電磁場有限元法可以精確計算無源器件寬頻段的傳輸特性。從無源器件提取等效模型的準確性也體現(xiàn)了本文方法具有較高的準確性。

圖5 磁心電感正向傳輸系數(shù)頻譜

將帶有高頻耦合特性的傳輸參數(shù)矩陣轉換得到參數(shù)矩陣，從而得到磁心電感的電感值和電阻值見表2。

表2 磁心器件的電感值和電阻值

1.2 功率開關器件建模

本文研究的電動汽車DC-DC變換器實際電路中使用的MOSFET為安森美公司的NVMFS5C612NL，根據(jù)該器件規(guī)格書中的輸入/輸出電容、反向電容、雜散電感和導通電阻等寄生參數(shù)，對該器件已有的SPICE非線性仿真模型進行寄生參數(shù)確認和添加。MOSFET寄生參數(shù)見表3。規(guī)格書中的MOSFET輸出特性曲線如圖6所示。搭建輸出特性仿真電路，得到MOSFET仿真輸出特性曲線如圖7所示，與規(guī)格書中的輸出特性曲線有很好的吻合。因此，開關管模型在電磁兼容性能和電氣性能方面有較高的準確性，滿足后續(xù)的傳導發(fā)射電磁兼容仿真要求。

表3 MOSFET寄生參數(shù)

圖6 規(guī)格書中的MOSFET輸出特性曲線

圖7 MOSFET仿真輸出特性曲線

1.3 控制信號建模

通常用獨立的驅動芯片實現(xiàn)對開關管的驅動，仿真時很難獲得驅動芯片的輸出波形，對驅動芯片進行電路建模更是難以實現(xiàn)。本文用于仿真分析的DC-DC變換器中使用的是TI公司的UCC27201AQ隔離式柵極驅動器，在仿真時也存在同樣的問題。在搭建傳導電壓法協(xié)同仿真電路時，用一個可以設置電壓值、占空比和上升沿/下降沿的數(shù)字信號電壓源作為開關管的電壓驅動信號，開關頻率選定為87kHz，通過對控制信號的占空比、上升沿/下降沿的敏感度分析發(fā)現(xiàn)，占空比直接影響變換器輸出電壓，控制信號占空比與輸出電壓關系如圖8所示。控制信號的上升沿/下降沿對變換器輸出電壓基本沒有影響，故根據(jù)驅動芯片的器件規(guī)格書將控制信號的上升沿/下降沿選為典型值20ns。

圖8 控制信號占空比與輸出電壓關系

1.4 公共地回路建模

電源線與回路地形成的回路電流會產生傳導干擾。DC-DC變換器的地回路既有電源線與金屬殼體間電容耦合、電源線間電感耦合形成的回路，又有逆變器輸入端和輸出端與殼體、散熱片的耦合、變壓器一次側和二次側之間的電容耦合形成的回路，可以看出地回路是最容易忽略且最復雜、很難建模的部分。

為了保證獲得完整的DC-DC變換器地回路參數(shù)，將磁心器件、PCB、金屬殼體放入一個三維模型中進行仿真計算，提取整體的傳輸參數(shù)作為等效電路用于場路協(xié)同仿真，這樣既包含了完整的地回路，又可以利用地回路的簡化滿足計算效率和精度的要求。

2 仿真結果與實測結果對比

電動汽車DC-DC變換器傳導發(fā)射是車載電源電磁兼容重要的測試項，GB/T 18655—2018是用于測試車載電源電磁兼容性能的標準，規(guī)定了車載電源傳導發(fā)射強度的限值和試驗方法，測試頻率范圍為150kHz～108MHz，要求DC-DC變換器輸出端傳導干擾電壓的頻譜在測試頻率范圍內必須在標準限值以下。

根據(jù)輸出電壓與控制信號占空比的關系，調整場路協(xié)同仿真電路中控制信號占空比約為0.72，仿真計算時間為400ms，為了保證對控制信號上升沿/下降沿20ns較好的采樣精度和滿足頻譜圖的頻率上限要求，時間步進設置為2ns，得到DC-DC變換器的輸入和輸出電壓時域波形如圖9所示。其中實線為DC-DC變換器輸出電壓時域波形，平均值約為13.97V且有明顯的紋波。

圖9 DC-DC變換器的輸入和輸出電壓時域波形

將時域波形進行傅里葉變換得到DC-DC變換器直流輸出端傳導噪聲電壓頻域曲線如圖10所示，圖中虛線是GB/T 18655—2018中傳導發(fā)射電壓法Class3的峰值門限值（廣播+移動設備頻段），點劃線為實測結果，實線為無輸出端濾波電容的仿真結果，傳導發(fā)射噪聲電壓明顯超出標準限值。

圖10 DC-DC變換器直流輸出端傳導噪聲電壓頻域曲線（無濾波電容）

3 優(yōu)化方案的建模和仿真結果對比

3.1 在輸出端添加濾波電容

由設計經驗可知，在DC-DC變換器的輸出端加入濾波電容可以對傳導發(fā)射噪聲電壓進行抑制，但通常并不明確添加多大的電容和抑制效果，設計時需要反復調整、焊裝和測試。在場路協(xié)同仿真電路中，輸出端位置加入濾波電容，只需要設置不同的電容值（4nF、10mF、100mF）進行計算即可直接評估結果。DC-DC變換器直流輸出端傳導噪聲電壓頻域曲線如圖11所示。

3.2 在輸出端母排添加磁環(huán)

在輸出端母排添加磁環(huán)也可以有效抑制輸出端傳導干擾。針對這類整改措施，現(xiàn)階段工程師大都對DC-DC變換器實物進行整改，更換不同磁環(huán)取其中效果最好的。由于磁環(huán)的多個參數(shù)對結果都有影響，使整改過程既費力又費時。這種情況下采用本文方法，在三維仿真模型輸出端母線的位置添加磁環(huán)器件三維模型，設置不同磁環(huán)參數(shù)進行參數(shù)敏感性分析，可快速而準確地選定磁環(huán)并預測結果。

整改前后的仿真模型如圖12所示，添加磁環(huán)后傳導發(fā)射噪聲電壓的頻域曲線如圖13所示，由圖可知，添加磁環(huán)后傳導噪聲電壓在整頻段有約10dB改善。

圖12 整改前后的仿真模型

3.3 對頻段噪聲的研究

對比上述仿真和測試結果發(fā)現(xiàn)，在相對較低頻段，仿真結果與測試結果在量級、趨勢和峰值方面都有很好的一致性，但在相對較高頻段，仿真值明顯低于測試值。這是由于該DC-DC變換器的控制板和車載充電機（on board charger, OBC）的控制板合成一體，沒有加入兩個控制板對DC-DC變換器傳導干擾的影響。測量電動汽車車載充電機的熱背景噪聲，與仿真結果進行疊加，疊加后的曲線如圖14所示，疊加后的曲線和實測值在全頻段的量級、趨勢和峰值方面都有很好重合，進一步表明DC-DC變換器中開關電路產生的傳導噪聲主要對整個測試頻段內較低頻率產生影響。

圖13 添加磁環(huán)后傳導發(fā)射噪聲電壓的頻域曲線

圖14 直流輸出端傳導噪聲電壓仿真值+設備開機底噪的頻域曲線

4 結論

本文提出了一種僅通過設計電路圖、PCB版圖文件及影響場分布的結構件三維模型和器件規(guī)格書來預測電動汽車DC-DC變換器傳導發(fā)射電磁兼容性能的仿真方法，能夠對多種改進方案進行仿真，快速預測結果并確認最優(yōu)的改進措施，可顯著縮短產品的研發(fā)周期，降低產品整改難度，特別適用于產品正向開發(fā)及問題定位和整改，具有很好的可行性和實用性。

通過三維電磁場仿真軟件建立由磁心器件、PCB版圖和地回路組成的完整的DC-DC變換器三維有限元模型，將計算得到的傳輸參數(shù)矩陣的等效模型放入系統(tǒng)級仿真軟件中，與開關管非線性模型、線路阻抗穩(wěn)定網絡（line impedance stabilization network, LISN）模型及控制電路模型進行場路協(xié)同仿真，由于有限元模型、開關管非線性模型都有較高準確性，保證了DC-DC變換器傳導發(fā)射電磁兼容性能仿真結果的準確性。

還可以進行多種改進并快速預測結果，加入nF級濾波電容可以對高頻噪聲進行約30dB有效抑制，加入mF級濾波電容可以對高低頻噪聲進行約40dB有效抑制，加入磁環(huán)可以對高低頻噪聲進行約10dB有效抑制。同時表明DC-DC變換器中開關電路產生的傳導噪聲主要對整個測試頻段內的較低頻率產生影響。

綜上所述，本文介紹的包含三維有限元模型和開關管非線性模型的場路協(xié)同仿真方法是一種準確且有實用價值的電動汽車DC-DC變換器傳導發(fā)射電磁兼容性能預測和評估方法。

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Simulation research on conducted voltage method of DC-DC converter in electric vehicle

LI Jianqun

(GAC Aion New Energy Vehicle Co., Ltd, Guangzhou 510000)

In this study, a co-simulation analytical method is introduced, which can be used to calculate the conducted noise voltage of DC-DC converter in electric vehicle. The simulation result of this method is in good agreement with the test result in magnitude, trend and peak values, which shows that the method is feasible and practical. This method is especially applicable to the early stage of DC-DC converter development. Only the PCB layout, magnetic core specification, device datasheet and 3D model are required to predict and evaluate the conducted emission of the converter. It is a good method to evaluate the optimization and improvement impacts by adding magnetic core into the full 3D model, or changing the value of the output filter capacitors in the simulation circuit. It provides an important support for the positioning and rectification of component level electromagnetic interference problem of conducted emission in DC-DC converter.

DC-DC converter; conducted emission; simulation; S-parameter

2022-07-18

2022-08-15

李建群（1977—），女，昆明人，本科，工程師，主要從事電動汽車整車和部件的電磁兼容仿真、設計和整改工作。