高壓直流電機驅動系統電磁兼容設計改進技術研究

張峻濤＊

航空工業南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106

隨著270Ⅴ高壓直流（HⅤDC）供電系統在飛機上的逐步應用，航空高壓直流電機驅動技術也開始廣泛應用于飛機機電系統各領域中，包括功率電傳、環境控制等多個子系統。高壓直流電機驅動系統普遍采用脈沖寬度調制（PWM）方式進行功率變換控制，使用MOSFET、ⅠGBT等高速功率器件，這雖然在一定程度上能減小逆變器的動態響應時間，但是由于這些功率器件開關動作時會有很大的du/dt和di/dt[1]，與系統中的寄生參數作用會產生幾千赫[茲]到數十兆赫[茲]的電磁干擾，大大超過了EMC標準要求的限值。逆變器產生的電磁干擾不僅會對逆變器自身構成很大的威脅，也會對機上周邊用電設備產生不利影響，嚴重時會影響核心控制部件的正常使用，因此，對高壓直流電驅動系統的電磁干擾進行研究十分必要。

本文針對某型飛機環境控制系統的核心控制部件——液冷泵驅動系統，在實際應用中存在的電磁兼容超標問題進行理論分析，提出具體的解決方案，最終通過了系統電磁兼容試驗，提高了整個系統的電磁兼容性能。

1 系統介紹

該液體泵驅動系統的功能框圖如圖1所示。圖1中，ⅤHP為270Ⅴ高壓直流電源；RⅠU為上位機。該系統主要由低溫液體泵泵體、液體泵電機、液體泵電機控制器以及電機與控制器之間的連接電纜構成。液體泵的主要作用是驅動液冷回路液體循環流動，控制器的主要功能是對液體泵電機進行轉速控制，并具有對電機及控制器本身檢測和管理的功能。控制器電源采用270Ⅴ高壓直流供電方式。

圖1 系統功能框圖Fig.1 System functional diagram

從系統構成來看，該系統屬于一個強弱電混合的機電系統，其中液體泵控制器和電機以及系統對內和對外的電纜都可以產生電磁干擾，同時控制器和電纜也是電磁敏感的工作部件，容易受到外部電磁環境干擾。

2 試驗情況

2.1 試驗要求

根據系統研制要求，電磁發射和敏感度要求按GJB 151A—1997《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》中的規定進行。具體檢驗項目有：CE102 10kHz～10MHz電源線傳導發射；RE102 2MHz～18GHz電場輻射發射；CS101 25Hz～50kHz電源線傳導敏感度；CS114 10kHz～400MHz電纜束注入傳導敏感度；CS115電纜束注入脈沖激勵傳導敏感度；CS116 10kHz～100MHz電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導敏感度；RS103 10kHz～18GHz電場輻射敏感度。

2.2 試驗情況

該液體泵驅動系統進行了電磁兼容性試驗，系統試驗連接框圖如圖2所示。

圖2 系統試驗連接圖Fig.2 Test connection diagram

試驗現場布置如圖3所示。根據GJB—151A的相關要求，在進行敏感度項目試驗時，整個系統應不受影響，保持正常工作，進行電磁發射測試試驗時，系統的電磁發射強度應在規定的范圍內。整個試驗是對系統電磁兼容性的綜合考評，為系統后續在機上使用時能否與機上電磁環境兼容提供數據支持。

圖3 試驗現場布置圖Fig.3 Test site layout

試驗結果：7項試驗中，CE102和RE102超標，其余5項試驗均順利通過。CE102超標曲線如圖4所示。從CE102超標曲線看，主要超標頻段在20～80kHz以及200～800kHz。

RE102超標曲線如圖5所示。從RE102超標曲線看，系統輻射超標點主要集中在10～80MHz及200～400MHz，其中10～80MHz超標點呈包絡帶狀，超標較多，達20dB；200～400MHz為單點超標，最大約10dB。

圖4 系統CE102項目試驗超標曲線Fig.4 CE102 test standard exceeding curve

圖5 系統RE102項目試驗超標曲線Fig.5 RE102 test standard exceeding curve

3 電磁兼容超標解決方案

3.1 超標原因分析

電磁干擾有三個基本要素[2]：一是干擾源；二是受干擾的敏感設備；三是干擾源到敏感設備的耦合路徑。就PWM驅動電機系統來說，干擾源主要分為兩個大類，一類是功率變換器（控制器），一類是電機本體。根據電磁超標曲線的超標頻段和系統架構分析，功率變換器的干擾是主要的干擾源頭：功率開關器件開關動作瞬間電壓、電流突變所形成的高頻電磁場在系統內部和外部復雜媒質中傳播時形成了電磁效應，這種電磁效應的時域表現是電壓、電流的瞬間突變，即出現毛刺現象，它破壞了時域信號的完整性。而頻域表現則是電壓、電流頻譜中出現了高頻諧波成分。

從耦合路徑上來看，由于整個系統內部有多個交聯的電氣網絡：包括電機與控制器之間的線纜、電源到控制器之間的線纜、控制器內部的線纜、控制器內部的接插件以及印制板組件等，都能夠構成電磁干擾的耦合路徑；同時，整個系統的寄生電容與機殼之間也存在電磁耦合路徑，包括電機繞組與電機殼體之間的耦合路徑[3]，如圖6所示，以及ⅠGBT散熱器與機箱殼體之間，如圖7所示。

圖6 電機內部共模電流簡化耦合路徑Fig.6 Simplified coupling path of common mode current in motor

圖7 逆變器共模電流耦合路徑Fig.7 Common mode current coupling path of inverte

綜上所述，如果整個系統的屏蔽和接地措施處理不當，都會造成電磁輻射發射和傳導發射。想要通過EMⅠ試驗，需要結合系統特點綜合考慮。

CE102考核的是系統電源線上的傳導發射，意在評價系統對電源的影響。由圖4測試曲線可以看出，在低頻部分超標較嚴重，尤其是載波頻率的倍頻處，產生這部分超標的主要原因是ⅠGBT在持續斬波工作中產生了大量的尖峰電壓和高次諧波。如圖8所示，控制器的PWM載波頻率為10kHz，該調制信號在母線電流和母線電壓均上均形成了交流分量，是造成CE102超標的主要原因。

圖8 IGBT斬波引起母線產生紋波電壓Fig.8 Notch voltage of bus caused by IGBT choppe

CE102傳導發射干擾主要靠系統的電源輸入濾波器來進行限制。根據分析，原系統的濾波器在低頻部分的插入損耗較低，不能對10kHz及倍頻有很好的抑制作用，需要對濾波器進行改進設計。

RE102的問題相對復雜，因為從宏觀上看，整個系統本身就是一個干擾源，而干擾源又來自系統的多個部件，不論是一個元器件還是一根導線，抑或是一個連接器，都能構成一個發射源[4]，因此解決RE102超標問題應從整個系統來進行分析，而僅靠控制器的電源濾波器是無法解決的。

針對RE102輻射發射嚴重超標，為了進一步查明泄漏點，試驗人員采用近場探頭對該系統進行了測試，發現各分系統機殼周圍和互聯線纜均存在泄漏。主要泄漏點包括：控制器連接器與機箱接觸面存在泄漏（見圖9）；控制器機箱蓋板連接縫隙處（見圖10）；電機插座與殼體安裝縫隙處（見圖11）；電機與控制器之間連接電纜的尾附件、屏蔽套連接處。

根據進場探頭實測結果，同時分析超標曲線，認為系統電磁輻射超標的原因如下：

（1）控制器和電機殼體的電磁屏蔽效果不夠，體現在：控制器機箱蓋板的導電條存在不連續的情況，螺釘安裝面的接觸面過窄，且導電性能不好，螺釘的安裝間距過大，使得殼體縫隙較大，容易產生電磁泄漏。電機插座的安裝形式不合理，縫隙較多，應盡量與電機殼體成為一個整體。

（2）系統電纜的屏蔽和接地措施不夠好。由于電纜自身就是輻射天線，線纜越長，線纜上信號種類越多，線纜輻射就越強，因此一方面應加強電纜的屏蔽處理，另一方面應加強電纜的接地處理，做到就近接地。

（3）270Ⅴ電源線不允許加裝屏蔽套，系統逆變器斬波引起的高次諧波信號容易從電源上耦合出去，從曲線上看，30～100MHz超標明顯就是從電源線上發射引起的。

圖9 插座泄漏點Fig.9 Socket leakage point

圖10 控制器殼體泄漏點（蓋板接縫處）Fig.10 Shell leakage point

圖11 電動機泄漏點（插座接縫處）Fig.11 Motor leakage point

3.2 解決方案

3.2.1 CE102超標解決方案

根據圖4所示的超標曲線，系統CE102的超標點集中在20～80kHz以及200～800kHz，其中20～80kHz超標主要是ⅠGBT斬波造成的差模干擾引起，200～800kHz超標則主要是系統共模噪聲引起。因此，濾波器的改進設計分為差模抑制改進和共模抑制改進。

主要從兩個方面進行整改：提高濾波器在低頻段的插入損耗，增強對系統10kHz及倍頻的抑制作用；縮短電源濾波器與機殼電源插座之間的距離，減少高頻耦合干擾。

（1）提高插入損耗

插入損耗用以描述濾波器對干擾噪聲的抑制能力，其定義為：沒有濾波器接入時，從噪聲源傳輸到負載的功率和接入濾波器后，從噪聲源傳輸到負載的功率之比，用分貝表示，濾波器接入前后的電路如圖12和圖13所示。

圖12 濾波器插入前電路圖Fig.12 Circuit diagram before filter insertion

圖13 濾波器插入后電路圖Fig.13 Circuit diagram after filter insertion

濾波器插入損耗的定義：

根據圖12可以得出：

所以插入損耗的計算公式：

式中：a11、a12、a21、a22表示濾波網絡的A參數。

在對濾波器的A參數確定時，建立共模濾波電路等效電路和差模濾波電路的等效電路進行分開分析[5]，分別計算出各自等效電路對應的A參數，然后根據任務書插入損耗值要求進行計算。其中共模濾波電路等效電路如圖14所示和差模濾波電路等效電路如圖15所示。

圖14 共模等效電路圖Fig.14Common mode

圖15 差模等效電路Fig.15 Differential mode

圖7中差模雙端口網絡的A參數：

由此可以得出差模插入損耗表達式為：

同理可以得出共模干擾的插入損耗公式：

根據共模插入損耗的公式和差模插入損耗的公式中可以看出，插入損耗會受源阻抗RS、負載阻抗RL的影響[6]，分別如圖16所示和如圖17所示。其中源阻抗RS和負載阻抗RL滿足如下的函數關系式函數：

圖16 源阻抗對插入損耗的影響Fig.16 Effect of source impedance on insertion loss

圖17 負載阻抗對插入損耗的影響Fig.17 Effect of load impedance on insertion loss

當 f(RS，RL)取最小值時ⅠLCM達到最小值。式（12）中，當RL不變時，RS取得最大值時，f(RS，RL)取最小值。故在進行插入損耗的理論計算中如何確定源阻抗RS和負載阻抗RL和截止頻率是插入損耗計算的關鍵，由源阻抗和負載阻抗，結合以上公式理論設計改進后的濾波器，具體元器件參數如圖18所示，插入損耗見表1。

圖18 輸入濾波器設計原理圖Fig.18 Input filter design schematic

表1 濾波器插入損耗Table 1 Filter insertion loss

（2）改進濾波器結構設計

改進后的濾波器外觀及結構如圖19和圖20所示，將270Ⅴ電源輸入插座直接安裝于電源濾波器上，減小內部導線長度，并將濾波器緊貼于機箱內壁安裝，保證濾波器與機箱的導電良好。輸出線纜上安裝有金屬屏蔽套，加強濾波器和連接器的屏蔽性。

圖19 輸入濾波器外形Fig.19 Shape of input filte

圖20 濾波器內部結構Fig.20 Input filter internal structure

圖21 濾波器仿真等效電路Fig.21 Filter simulation equivalent circuit

采用Advanced Design System 2016軟件對改進前、后的濾波器進行仿真，建立如圖21所示的模型，仿真頻率按照1Hz～10MHz設計，得到如圖22和圖23所示的幅頻特性曲線。

從仿真曲線上看，改進后的濾波器在全頻段的信號抑制能力均優于更改前，尤其是在對共模信號的抑制改善較明顯，濾波器的整體插入損耗也得到顯著提高。

3.2.2 RE102超標解決方案

根據RE102超標曲線分析和近場探頭實測到的泄漏點來對整個系統輻射發射超標進行整改。主要從以下幾個方面著手：

（1）加強控制器機箱殼體的屏蔽性。包括改進機箱蓋板導電條的設計，保證其連續性，同時加大導電橡膠條與溝槽配合比例，增加壓縮量，提高導電性能；增加蓋板的螺釘安裝距離、增大螺釘安裝面的接觸面積，加強導電性。

（2）在各連接器與殼體之間加裝導電襯墊，并保證連接緊密。

（3）電機插座是一個較強的發射源，原有插座與電機繞組外罩之間有明顯的縫隙，導致電磁泄漏嚴重。因此，將電機插座改成與電機殼體整體加工形式，消除了插座安裝縫隙，保證電機整體屏蔽性，如圖24所示。

（4）加強除270Ⅴ電源線以外的各屏蔽電纜(尤其是電機三相線纜)的尾附件與屏蔽套之間的導電性，并保證屏蔽網必須與連接器尾附件呈360°的連接，如圖25所示。

（5）增加270Ⅴ電源線的共模干擾抑制處理，由于270Ⅴ電源線無法加裝屏蔽線，因此考慮在270Ⅴ電源插座的入口處增加對地的共模電容，根據截止頻率計算得此電容容值為1000～4700pF，根據實際情況，試驗時選用兩個1500pF的一類瓷介質電容加裝在插頭與導線之間，如圖26所示。此項措施落實到270Ⅴ電源濾波器內實施。

（6）加強系統的接地處理，所有帶有屏蔽套的電纜均就近接地，同時系統設備、電纜達到共地，保證整個系統與飛機上真實安裝環境一致，如圖27所示。

圖22 濾波器共模信號仿真的幅頻曲線Fig.12 Amplitude-frequency curve of filter common-mode signal simulation

圖23 濾波器差模信號仿真的幅頻曲線Fig.23 Amplitude-fequency curve of filter differential mode signal simulation

圖24 電機插座安裝形式更改示意Fig.24 Motor socket installation form change schematic

4 驗證情況

按照3.2節的整改方案，對整個系統進行電磁兼容整改，并重新在電子10所進行了系統電磁兼容整改試驗，試驗曲線如圖28～圖31所示。可以看到CE102通過對濾波器的改進設計，改進效果較明顯，安全裕度較大；RE102通過多措施改進明顯壓低了系統的電磁輻射發射強度，效果較好。

5 結束語

不同于普通機載用電設備，高壓直流電機驅動系統具有電壓高、功率大、電磁干擾嚴重等特點，本文根據系統結構特點，通過理論和實際結合，采用專用測試設備，尋找了系統電磁兼容超標的源頭，并分析了系統超標的原因，從而對該系統電磁兼容性設計進行了針對性改進。試驗結果表明，改進效果非常顯著。該型產品電磁兼容超標的設計改進，特別是問題定位方法、改進方案和具體措施對其他類似產品進行電磁兼容設計或改進具有一定的參考價值。

圖25 插頭尾附與屏蔽套采用360°連接Fig.25 360°connection between plug tail and shield sleeve

圖26 增加電源線上的共模電容Fig.26 Increase the common mode capacitance on the power cord

圖27 加強系統接地處理Fig.27 Strengthening the grounding treatment of the system

圖28 CE102正極試驗曲線Fig.28 Positive electrode test curve of CE102

圖29 CE102負極試驗曲線Fig.29 Negative pole test curve of CE102

圖30 RE102 2～30M頻段試驗曲線Fig.30 2～30M frequency band test curve of RE102

圖31 RE102 30～200M頻段試驗曲線Fig.31 30～200M frequency band test curve of RE102