不同屏蔽措施對電磁干擾抑制的研究

張浩 陳良亮 齊連偉 王念春 陳中 黃學良

摘 要： 為了使純電動汽車在制動過程中滿足制動安全和充分回收制動能量的需求以及保持一定的制動舒適度，引入最優前端個體系數對NSGA?Ⅱ多目標遺傳優化算法進行改進，并將解集篩選模塊應用到制動控制器的設計中，隨后嵌入到ADVISOR中進行仿真測試。實驗結果表明，提出的控制策略可以有效保證足夠的制動安全性，在能量回收效率和制動舒適性方面較標準的NSGA?Ⅱ算法優化的控制策略均有提高。

關鍵詞： 純電動汽車； 機電復合制動系統； NSGA?Ⅱ； 制動力分配； 控制策略； 制動安全

中圖分類號： TN876?34； U469 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）07?0097?05

Research on modified NSGA?Ⅱ algorithm based electro?mechanical

hybrid braking control strategy of electric vehicle

PAN Shenghui1， XU Ping2， SONG Zhongda1， WU Tiantian1

（1. Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China； 2. Liuzhou No.1 Vocational and Technical School， Liuzhou 545007， China）

Abstract： In order to make that the electric vehicle can meet the requirements of braking safety and sufficient energy recovery in braking process， and maintain a certain braking comfort level， an optimal front?end individual coefficient is introduced to improve the multi?objective genetic algorithm based on non?dominated sorting genetic algorithm?Ⅱ （NSGA?Ⅱ）. The solution set screening module is applied to the design of braking controller， and embedded into ADVISOR for simulation test. The experimental results show that the control strategy can ensure the sufficient braking safety， and its energy recovery efficiency and braking comfort level are improved than those of control strategy based on standard NSGA?Ⅱ algorithm.

Keywords： electric vehicle； electro?mechanical hybrid braking system； NSGA?Ⅱ； braking force distribution； control strategy； braking safety

摘 要： 開關器件對地寄生電容是共模電流流通的主要路徑，產生的傳導EMI會對設備形成不利影響。以充電機水冷散熱器為例進行分析，利用金屬靜電屏蔽特性采取兩種措施降低電磁干擾。一種是在開關器件與散熱器之間的導熱硅脂間插入一接直流0 V地的金屬層；另一種是對水冷散熱器結構進行改造，將金屬水箱分為兩部分，利用絕緣密封安裝槽連接這兩部分，其中一塊金屬水蓋接到直流0 V地上，另一塊水蓋通過機殼接地。仿真結果表明采用所述方法均能有效地抑制傳導共模電流，而后一種方法能達到更好的效果。

關鍵詞： 水冷散熱器； 導熱硅脂； 對地寄生電容； 傳導EMI； 靜電屏蔽； 電磁干擾

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）07?0093?04

Research on EMI suppression with different shielding measures

ZHANG Hao1， 2， CHEN Liangliang1， 2， QI Lianwei3， WANG Nianchun3， CHEN Zhong3， HUANG Xueliang3

（1. NARI Group Corporation （State Grid Electric Power Research Institute）， Nanjing 211106， China；

2. NARI Technology Development Limited Company， Nanjing 211106， China； 3. School of Electrical Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract： The parasitic capacitance to ground of switching devices is considered as the main path for common?mode （CM） current flow， and the conducted EMI generated in it has poor effect on the device. The water cooling heatsink of the charger is taken as an example for analysis. According the metal electrostatic shielding properties， two EMI suppression measures are adopted to reduce EMI. For the first measures， a metal layer linking to DC 0 V ground is inserted into the thermal grease between switching device and heatsink. For the second measures， the structure of the water cooling heatsink is altered to divide the metal tank into two parts， and an insulating seal mounting groove is used to connect the two parts. One metal cover is connected to DC 0 V ground， and another cover is connected to ground by chassis. The simulation results show that both of the two measures can suppress the conducted CM current effectively， but the second measure can reach the suppression effect better.

Keywords： water cooling heatsink； thermal grease； parasitic capacitance to ground； conducted EMI； electrostatic shielding； electromagnetic interference

引 言

IGBT是變換器系統中常用的關鍵器件，在工作過程中熱耗量很大，需要將其熱量及時散發出去，與其他散熱方式相比，水冷散熱是現在常用的散熱方法[1]。在散熱器與開關器件之間會產生寄生電容，IGBT開關器件采用PWM控制，在工作過程中會產生很高的電流和電壓變化率，對該寄生電容不斷進行充放電，產生電磁干擾EMI[2]。傳導EMI分為差模干擾和共模干擾。由于共模干擾造成的危害更大，因此對共模EMI的研究顯得尤為重要。目前關于電磁兼容性研究方面有通過采取信號調制方式降低傳導EMI[3]或設計EMI濾波器來抑制噪聲干擾 [4?9] 。這些措施增加了研發成本，也給系統帶來一定復雜性。

本文以電動汽車充電機三相不控整流電路為例，對傳導EMI共模電流進行分析。利用金屬靜電屏蔽原理，采取兩種不同措施，降低開關器件對地寄生電容，以此增大共模電流傳播路徑寄生阻抗，降低電磁干擾，相比現有技術，該方法原理簡單，不需要額外的研發成本，而且能很好地達到降低傳導EMI的目的。

1 寄生電容模型及求解

在水冷散熱器與IGBT器件導熱片之間填充一層導熱硅脂，模型圖如圖1所示。散熱器與開關器件導熱片相當于平行板電容器的兩個極板，導熱硅脂相當于絕緣介質。開關器件導熱片與散熱器之間存在著寄生電容，在充電機工作時，該寄生電容是共模電流傳播的主要途徑[10]。開關器件對地寄生電容在變換器中的分布及共模電流主要流通路徑如圖2所示。共模電流通過開關管對地寄生電容到達參考地，通過測量傳導EMI所用的LISN回到電網輸入側，然后再流到變流器整流側。

共模電流等效電路圖如圖3所示。圖中[CL，RL]是LISN等效電容和電阻，[Ceq]是開關器件對地等效電容，[LCM]是散熱器與參考地連線等效寄生電感，[E]是共模干擾源。在變換器工作頻帶范圍內，[Ceq]的阻抗值遠大于其他元件的阻抗，其他元件的阻抗作用可忽略不計[10]。因此，開關器件對地寄生阻抗的大小對共模電流影響很重要。

在寄生電容計算過程中，由于實際的散熱器尺寸要比開關器件大很多，不是理想的平行板電容器?？紤]到電場的邊緣效應對電容數值造成的影響，產生一定的誤差，因此，開關器件與散熱器之間的寄生電容不能采用靜電場中的平行板電容公式進行計算。本文利用有限元分析軟件Ansys Maxwell對IGBT于散熱器之間的電容進行計算。

2 減小寄生耦合措施

由以上分析可知，開關器件對地寄生電容是影響共模傳導電流的主要因素。寄生阻抗大小至關重要。本文采用屏蔽措施和對水冷散熱器結構進行改造主要目的就是減小開關器件對地的耦合電容，增大回路阻抗，減小傳導電流。

圖4為模型原來結構，采取屏蔽措施后結構如圖5所示。圖5a）表示在導熱硅中間插入一層金屬屏蔽層，接到直流0 V地。圖5b）表示將水冷散熱器分為上蓋和下蓋兩部分，這兩部分通過密封圈和絕緣安裝槽進行連接。冷卻液一般采用去離子水，可以看作一種絕緣介質，保證了上蓋和下蓋之間相互絕緣。水冷散熱器下蓋通過機殼接地，上蓋接直流0 V地。水冷散熱器采用金屬材料制成，因此上蓋也起到靜電屏蔽的作用。這些措施將大大減小電力電子器件與水冷散熱器下蓋之間的電場耦合，電力電子器件對地寄生電容大大減小。

3 電容計算及仿真結果分析

利用仿真軟件Ansys Maxwell計算電容。在電容計算中，開關器件導熱片面積為50 cm2；水冷散熱器導熱片面積為200 cm2；導熱硅脂厚度為0.05 cm，兩導熱硅中間屏蔽層為0.01 cm，導熱硅脂介電常數為5.7，水冷散熱器上蓋和下蓋厚度均為0.1 cm。IGBT調制方式為雙極性PWM調制，開關頻率為100 kHz。計算出的結果如圖6，圖7所示。圖7中結構1表示屏蔽措施1，結構2表示屏蔽措施2。

圖6表示未采取屏蔽措施的開關器件對地寄生阻抗的頻率特性。圖7表示采用屏蔽措施后，開關器件對地寄生阻抗。從圖7中可以看出，采用屏蔽措施2對增大開關器件對地寄生阻抗效果更好。這是因為在屏蔽措施2中起屏蔽作用的水冷散熱器上蓋面積大于開關器件的面積，能有效阻止開關器件與地之間邊緣處的電場耦合。

在Simulink中搭建充電機回路仿真模型。分別將兩種不同結構得到的寄生電容代入到仿真模型中，得到共模電流仿真結果如圖8，圖9所示，頻譜分析如圖10所示。圖8表示未采取屏蔽措施的共模電流，圖9表示采取屏蔽措施后的共模電流，圖9中結構1表示屏蔽措施1，結構2表示屏蔽措施2。圖10表示三種情況下的共模電流頻譜比較。圖10中頻譜1表示未采取屏蔽措施共模電流的頻譜，頻譜2表示采取屏蔽措施1共模電流的頻譜，頻譜3表示采取屏蔽措施2共模電流的頻譜。

從圖8～圖10結果可以看出采取相應措施后，共模電流及其頻譜被明顯減弱。從圖6，圖7中開關器件對地寄生阻抗頻率特性可以看出，在導熱硅脂中插入金屬屏蔽層和對散熱器結構進行改造后，開關器件對地寄生阻抗增大，使得共模電流傳播路徑的寄生阻抗增大，對共模噪聲的抑制作用增強，從而降低了共模噪聲。其中對散熱器結構改造后，由于上蓋面積大于開關器件的面積，能有效阻止開關器件與地之間邊緣處的電場耦合，能達到更好地降低EMI的效果。

4 結 論

本文分析了充電機共模電流產生的機理及傳播路徑，采取在導熱硅之間插入金屬屏蔽層和對水冷散熱器結構進行改造兩種降低EMI的措施，計算了散熱器與開關器件之間寄生阻抗的頻率特性。采取這些措施有效地減弱了開關器件對地的耦合電容，增大了傳導電流傳播路徑的阻抗，以此達到降低EMI干擾的目的。通過仿真分析證明該方法使共模電流及其頻譜得到明顯減弱，其中對散熱器結構改造能達到更好地降低EMI的效果。

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