電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)EMC 設計及測試研究

曹先貴，王 毅

（西安清泰科新能源技術(shù)有限責任公司，陜西 西安 710077）

關鍵字：電機驅(qū)動系統(tǒng)；EMC 標準；EMC 設計要點

引言

電機驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車的動力來源及將電能轉(zhuǎn)換為機械能的關鍵設備，在電力轉(zhuǎn)換的過程中會產(chǎn)生大量的傳導及輻射騷擾信號，是電動汽車EMC 問題的主要零部件之一[1-2]。

由于監(jiān)管機構(gòu)的強制要求及各車廠出于提高自身競爭力的考慮，目前設計人員已對電動汽車的EMC 問題做了較多的研究，相關的國家標準也日益為人們所熟知。其中GB/T 18655—2018《車輛、船和內(nèi)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》是零部件廠商應用最為廣泛的EMC 標準之一，該標準在新修訂的內(nèi)容中增加了對高低壓部件的適用性部分，包括高低壓耦合的測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的逆變器。但該標準未限定測試中電機及控制器應處于的工作狀態(tài)，根據(jù)文獻的研究[3]，不同工作狀態(tài)下電機驅(qū)動系統(tǒng)的傳導及發(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 年推出了針對性適用于電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的EMC 標準GB/T 36282—2018《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗方法》，此標準從整車應用的角度出發(fā)，對電機驅(qū)動系統(tǒng)的輻射騷擾限值、輻射抗擾及傳導抗擾、靜電放電抗擾都做了全面的要求，是電機驅(qū)動系統(tǒng)較為全面的EMC 標準，該標準還對測試時電機驅(qū)動系統(tǒng)應處于的工作狀態(tài)做了明確要求，得到了認可和廣泛應用。

EMC 測試往往是電機驅(qū)動系統(tǒng)測試的后期環(huán)節(jié)，同時也是關鍵環(huán)節(jié)，若EMC 測試的效果不理想，可能導致開發(fā)過程較多的重復，同時由于EMC 測試資源緊張，其測試費用也十分高昂，廠家一般都難以預留充足的EMC 測試整改時間。因而，在設計階段對影響EMC 性能的關鍵因素做較為充分的考慮，在方案設計中對可能存在的EMC 問題進行設計消除，是設計工程師必須考慮的內(nèi)容。

1 電機驅(qū)動系統(tǒng)EMC 影響因素分析

電機驅(qū)動系統(tǒng)包括電機及逆變器，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)動電機運行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 騷擾來源

電機驅(qū)動系統(tǒng)的逆變器部分包含動力電轉(zhuǎn)換單元及低壓轉(zhuǎn)換電源，這兩部分電路分別會產(chǎn)生不同頻次及幅值的騷擾信號，是電機驅(qū)動系統(tǒng)主要的騷擾信號來源。

圖1 中S1～S6 為半導體開關，通常為IGBT 或MOSFET器件，其工作頻率一般在10 kHz 至50 kHz 之間，開關器件通過銅排或疊層母排與母線電容連接，母線電容可以吸收開關過程產(chǎn)生的高頻紋波電流。開關頻率通常不在標準考核的傳導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，開關過程中會產(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，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驗測試到的IGBT 模塊關斷過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 模塊關斷瞬態(tài)波形

通過儀器測試，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，可以計算出回路諧振頻率為15.8 MHz，與測試波形中的震蕩頻率基本一致，且通過波形可以看出，該瞬態(tài)信號在電壓及電流信號中都有表現(xiàn)，并可能通過驅(qū)動電路傳導至低壓電路部分。圖2 中還包含開關過程中電壓上升速率du/dt等效的電壓騷擾信號，該上升時間約200 ns，通過傅里葉分析可以得到其諧波在開關頻率至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 標準中的窄帶測試便是主要針對這一部分。由于功率密度的限制，低壓電源轉(zhuǎn)換電路多數(shù)均使用開關電源，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，開關頻率約為500 kHz左右，是傳導騷擾及部分標準中輻射騷擾關注的低頻段區(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，也屬于傳導騷擾及輻射騷擾監(jiān)測的頻率范圍。

除以上電路部分外，控制器調(diào)制方式引起的電機等效中性點對地的共模電壓，也是電機驅(qū)動系統(tǒng)中固有的騷擾來源[5,7-8]。

1.2 傳播路徑

傳導騷擾信號可以分為差模信號和共模信號，功率開關過程及低壓電源轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的干擾同時包含差模和共模，而調(diào)制方式導致的電機中性點電壓跳變，主要是共模信號[9]。差模信號及共模信號在回路中的傳播路徑如圖4 所示。

圖4 兩種傳導路徑

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

2 電機驅(qū)動系統(tǒng)EMC 設計要點

根據(jù)上一節(jié)對騷擾發(fā)生源及傳播路徑的分析，電機驅(qū)動系統(tǒng)作為一個整體，對外部造成的EMI 問題主要存在于以下幾點：

（1）通過高壓直流線纜對其他用電零部件的傳導騷擾。

（2）通過低壓信號線纜對其他用電零部件的傳導騷擾。

（3）通過電機及控制器殼體對外的輻射騷擾。

（4）通過交直流高壓線束、低壓信號線束（通常無屏蔽）對外的輻射騷擾。

以上也是各標準對汽車零部件EMI 重點考核的項目，包括傳導騷擾測試及發(fā)射騷擾測試，因而控制器及電機設計中主要的應對措施有：

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

（2）電機控制器低壓對外線束應設置整體的共模濾波器，以表面?zhèn)鲗}擾信號通過低壓線束向外傳播，形成傳導及輻射騷擾，低壓信號線束在車上往往向多個零部件連接，難以形成完全屏蔽，因此易形成輻射騷擾。

（3）高低壓部分在電機控制器內(nèi)部應設置空間隔離，以避免干擾信號在內(nèi)部以輻射騷擾的形式越過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，且連接設備的兩端均需要與接線端子做完全屏蔽連接，因為高壓線纜上存在高頻信號，若不屏蔽易形成輻射騷擾，尤其在線纜較長的情況下[10]。

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

（6）電機定子繞組對軸的寄生參數(shù)，在設計中應盡量減小，以降低共模電流。

3 測試案例

針對一套額定功率為60 kW 的電機驅(qū)動系統(tǒng)，根據(jù)以上設計要點進行設計。并按照GB/T 36282 的標準進行了摸底實驗，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。

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

圖5 EMC 測試布局圖

由于實驗室資源限制，測試過程中未采用標準建議的扭矩運行，電機運行于額定轉(zhuǎn)速的一半，空載模式。測試結(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 電機驅(qū)動系統(tǒng)寬帶輻射測試結(jié)果

4 總結(jié)

本文通過對電機驅(qū)動系統(tǒng)EMC 干擾來源及傳播路徑的分析，提出若干在電機驅(qū)動系統(tǒng)設計中針對EMC 問題應注意的設計要點，通過對實際設計樣機的摸底測試，符合標準要求，驗證了設計要點的有效性。