電動汽車PTC傳導干擾噪聲的預測與抑制

【摘要】針對開關電源DC/DC變換器工作時產生的強烈的電磁干擾（EMI），提出并分析了DC/DC變換器的電磁干擾源，構建了該變換器產生EMI的傳播路徑，對比分析了純電路和有印刷電路板（PCB）影響下的傳導干擾，提出了添加Π型濾波器抑制DC/DC變換器電磁干擾的措施，并應用CST軟件建模仿真，對抑制結果進行驗證，提出的抑制方法可有效抑制開關電源電磁干擾。

關鍵詞：電動汽車PTC；開關電源；傳導干擾

中圖分類號：U469.72+2" "文獻標志碼：A" DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240049

Prediction and Suppression of PTC Conducted Interference Noise in Electric Vehicles

Huang Caiyuan， Hu Anqi

（Fujian University of Science and Technology， Fuzhou 350118）

【Abstract】 Aiming at the Electromagnetic Interference （EMI） caused by DC/DC converter in switching power supply， the electromagnetic interference source of DC/DC converter is proposed and analyzed， and the EMI propagation path generated by the converter is constructed. The conducted interference under the influence of pure circuit and Printed Circuit Board （PCB） is compared and analyzed， and the measures of adding Π filter to suppress the electromagnetic interference of DC/DC converters are proposed， and the simulation of CST software is used to verify the suppression results. The results show that the suppression method proposed in this paper can effectively suppress the electromagnetic interference of switching power supply.

Key words： Electric vehicle PTC， Switching power supply， Conducted interference

0 引言

隨著電動化成為汽車行業的發展趨勢，其電磁兼容（Electromagnetic Compatibility， EMC）問題愈發受到關注。然而，當前工程上解決電動汽車電氣設備EMC問題的方法大多停留在現場測試與整改階段，對于印刷電路板（Printed Circut Board， PCB）電磁干擾的仿真分析與預測尚未廣泛應用于工程實際問題中。電動汽車正溫度系數（Positive Temperature Coefficient， PTC）加熱器的開關電源通常采用DC/DC反激式降壓變換器，這種拓撲結構因結構簡單、功率轉換效率高而被廣泛應用于汽車電子領域。近年來，針對DC/DC變換器的分析建模及噪聲抑制方面研究成果豐碩。江心怡[1]基于軟開關技術解析了DC/DC開關電源的電磁兼容原理，并提出了抑制措施，并分析了有關研究現狀和發展趨勢。汪曉文[2]從開關電源自身特性出發，設計了一種輸入濾波器，對抑制差模干擾和共模干擾的影響給出了定性分析，并提出了濾波器參數設計優化方案。Dalal等[3]研究了開關電源中元器件的寄生參數對開關電源傳導干擾幅值的影響，使開關電源電磁干擾預測模型更接近實際。王建淵[4]提出的通過減小寄生電容進行共模抑制的方法，對于解決逆變器EMC設計及逆變器共模干擾問題具有實際指導意義。

為了解決電動汽車PTC產生電磁干擾的問題，本文采用CST軟件建立了PCB加熱器開關電源工作時開關電源的電路模型，分析電磁干擾產生的機理，探究對比有無PCB板對傳導發射干擾幅值的影響。在干擾源前級添加Π型濾波器，通過仿真驗證有PCB板時干擾源頻譜特性的差異以及濾波器的濾波效果，旨在為電動汽車電氣設備的電磁兼容設計提供理論支持和實際指導，推動電磁干擾仿真分析從理論研究向工程實際應用的轉化。

1 PTC開關電源電磁干擾源分析

電動汽車PTC開關電源的DC/DC降壓模塊結構簡單，通過控制電路使功率開關器件周期性地開通和關斷，對輸入電壓進行脈沖調制，從而完成電壓變換，并實現輸出電壓的可調性和自動穩壓功能[5]。本研究中，該模塊的主要器件包括金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， MOSFET），輸出整流二極管和隔離變壓器，以上器件均是電磁干擾（Electromagnetic Interference， EMI）問題的主要干擾源[6]。

1.1 MOS開關管的干擾

MOS開關管在高速開關循環狀態下，其電壓變化率（du/dt）和電流變化率（di/dt）會隨開關動作快速變化。在開關管斷開瞬間，由于電路中電流的突變，變壓器原邊會產生一個較大的感應電壓，以阻礙電流的迅速變化。這個感應電壓以浪涌的形式反饋到開關管上，從而在開關管兩端形成電壓尖峰，電壓尖峰波形如圖1所示。

在高頻工作的開關電源中，功率開關管的寄生電容與變壓器初級線圈的漏感以及布線中的引線電感共同作用，形成LC諧振電路，導致開關電壓波形出現振蕩波動。如如圖1所示，振蕩波形分為2段：第1段振蕩由初級線圈的漏感與開關管輸出端的寄生電容諧振引起，第2段振蕩是由初級線圈的勵磁電感與開關管輸出的寄生電容諧振產生。振蕩變化的電壓和電流波形必然會產生電磁干擾。

從電路機理分析，功率開關器件既是電場耦合噪聲的來源，也是磁場耦合噪聲的來源。一方面，開關器件的寄生電容與電路中的分布參數相互作用，形成電場耦合噪聲；另一方面，開關器件在高速開關過程中產生的瞬態電流與變壓器線圈的耦合作用，會引發磁場耦合噪聲。因此，開關電源在高頻工作時的電磁干擾問題需要從電場和磁場耦合兩方面綜合考慮，并采取有效的抑制措施。

1.2 輸出整流二極管的干擾

當功率二極管從導通狀態變為截止狀態時，由于關斷時間很短，容易產生反向電流浪涌。由于反向恢復電流迅速降為0，電流變化率（di/dt）非常大，其電流波形如圖2a所示。二極管在反向電流降為零后應完全關斷，此時反向電流僅為漏電流。然而，由于PN結的特性，正向電流降低為0后，反向電流會持續增大，直至達到反向峰值電流。這個反向峰值電流會對電路中的寄生電感和電容進行充放電，從而產生反向尖峰電壓和寄生振蕩。輸出整流二極管的寄生參數與電路中走線寄生電感、變壓器的二次側漏感以及器件引線電感等參數相互作用，產生高電壓變化率（du/dt）的振蕩，其電壓波形如圖2b所示。因此，電路中的輸出整流二極管不僅是電場耦合噪聲的主要來源，還可能通過其快速變化的電壓和電流對周圍電路產生電磁干擾。

總結來說，輸出整流二極管在關斷過程中產生的反向恢復電流和寄生振蕩，使其成為電路中電場耦合噪聲的重要干擾源。

1.3 隔離變壓器的干擾

在PTC加熱器的DC/DC功率變換器中，需要將12 V低壓變換成5 V，以供給高壓側的微控制單元（Microcontroller Unit， MCU）使用。因此，為了實現低壓側與高壓側的電氣隔離，必須采用隔離變壓器進行電壓轉換。由于PTC加熱器的開關電源工作在高頻條件下，隔離變壓器在高頻工作時會因其自身的寄生參數（如漏感、分布電容等）引發諧振現象[8]。為了深入分析這一現象，建立了隔離變壓器的高頻等效模型，如圖3所示。該模型能夠幫助研究變壓器在高頻工作時的諧振特性及其對電路性能的影響。

圖3中，Cp、CS分別表示變壓器繞組原邊、副邊的寄生電容；CPS表示原/副邊間寄生電容；R1、R2、RC分別代表原邊、副邊、磁芯的阻抗；L1、L2表示變壓器繞組原邊、副邊的漏感；Lc表示勵磁電感。

隔離變壓器的一次側漏感是高頻干擾的最主要原因。由于漏感無法耦合到二次側，且缺乏低阻抗通路，因此變壓器器一次側漏感和MOS管輸出端的等效電容會形成諧振。此外，一次側漏感還與變壓器一次線圈繞制過程中產生的寄生電容Cp產生諧振。一次側漏感L1和寄生電容Cp共同作用，會產生高電壓。同時，在電路能量耗盡后，勵磁電感Lc和原/副邊間寄生電容CPS之間的振蕩也會引發諧振。這些諧振現象導致電壓波形出現多次振蕩，如圖4a所示。電壓的高頻振蕩變化是隔離變壓器產生EMI的主要原因。

變壓器的漏感及其他電感參數會隨著開關器件的高速循環而快速變化，其對應的電流變化率（di/dt）也會高速循環變化，原/副邊繞組的電流都會存在di/dt，并相互形成交變電流。通過仿真可知，變壓器原邊繞組的電流會出現尖峰和波動，如圖4b所示。根據電磁感應定律，交變電流會在電路中產生交變磁場，因此變壓器成為電路中磁場耦合噪聲的主要來源。這種磁場耦合噪聲會進一步影響電路的穩定性和電磁兼容性。

2 PTC開關電源干擾路徑分析

對于噪聲源而言，信號總是需要返回其源頭，因此建立信號源的等效回流路徑是分析噪聲問題的關鍵。干擾分為差模干擾和共模干擾：差模干擾是指信號線與回流線之間的噪聲，通常由電路內部的電流環路引起；而共模干擾則是指信號線與地線之間的噪聲，通常由外部電磁場或不對稱的電路結構引起。只有明確干擾是通過差模路徑還是共模路徑產生的，才能有針對性地快速找到抑制干擾的方法[7]。

2.1 差模干擾路徑分析

通過在DC/DC變換器中引入線路阻抗穩定網絡模塊（Line Impedance Stabilization Network， LISN），可以建立差模電流信號的傳遞路徑，如圖5所示。

差模干擾成分主要通過2條路徑傳播：第1條路徑，差模干擾源從變壓器原邊和MOS管處產生，流經電源負極，進入LISN的接收電阻，并被接收機檢測到。隨后，干擾電流通過正極通路返回到干擾源，形成完整的差模干擾回路。第2條路徑，由輸入濾波電容提供了差模路徑。干擾電流直接從近端的濾波電容回到干擾源，而未經過LISN。因此，這部分差模干擾不會被LISN捕獲，也不會被轉化為整個電路的差模干擾。

根據分析可知，差模干擾的傳播路徑是從干擾源發出，通過連接線纜的正負極間流通。根據電磁干擾的三要素（干擾源、傳播路徑和敏感設備），只要切斷其中任一要素即可有效解決電磁干擾問題。針對差模干擾的第1條路徑，可以在正負極輸入端口處添加差模濾波元件或增大變壓器的勵磁電感的電感值來提高阻抗，從而減小差模電流的幅值，達到降低差模干擾的目的。對于差模干擾的第2條路徑，可以通過減小輸入濾波電容的阻抗，使更多的差模電流成分通過輸入濾波電容，而不是通過LISN。這樣，LISN檢測到的差模電流會顯著減少，從而有效降低差模干擾的幅值。通過上述方法，可以有針對性地抑制差模干擾，提升電路的電磁兼容性。

2.2 共模干擾路徑分析

在電路中，除了差模噪聲引起的干擾外，共模噪聲也是導致噪聲超標的主要原因。共模噪聲通常更加隱蔽，且對電磁兼容性的影響更為顯著。在開關電源中，功率開關管工作在高頻通斷狀態，將產生大量的熱量，因此需要加載散熱器進行散熱。由于散熱器與開關管之間存在平板電容效應，形成了寄生電容Cp3，這為共模噪聲信號提供了一個流向地網絡的通道。基于共模噪聲信號返回其源頭的思路，可以建立共模電流信號的傳遞路徑，如圖6所示。

共模電流路徑的分析需要考慮電路中的寄生參數效應。在導線之間、線纜之間、變壓器的一次側與二次側之間、變壓器繞組之間以及導線與參考地之間都存在寄生電容，而寄生電容是導致EMC問題的主要原因。

在PTC的反激隔離DC/DC變換器上，共模噪聲路徑通過以下4條路徑傳播：

（1）第1條路徑：噪聲從開關器件通過分布電容Cp3耦合到散熱器，散熱器通過寄生電容Cp4與機殼相連，機殼通過接地通路進入LISN，最后返回到開關管，形成共模回路。

（2）第2條路徑：變壓器的次級繞組通過分布電容Cp5進入地，再進入LISN，最后返回到變壓器原邊繞組，形成共模回路。

（3）第3條路徑：噪聲從隔離變壓器的原邊線圈通過分布電容Cp2耦合到次級繞組，再通過電路零點位點和對地分布電容Cp6進入地，隨后進入LISN，最后返回到變壓器原邊繞組，形成共模回路。

（4）第4條路徑：噪聲從隔離變壓器的原邊線圈通過分布電容Cp1耦合到次級繞組，經過整流二極管和輸出電容通過分布電容Cp6進入地，再進入LISN，最后返回到變壓器原邊繞組，形成共模回路。

以上分析表明，共模噪聲的傳播路徑主要通過電路中的寄生參數（如分布電容和寄生電感）形成回路。因此，PTC開關電源在高頻工作時，由寄生參數引起的共模干擾是導致電磁干擾的主要原因。通過干擾傳播路徑有效抑制共模干擾，從而降低電磁干擾的影響，是一種直接且有效的電磁干擾解決方案。

3 DC/DC仿真回路搭建與分析

3.1 純電路傳導干擾仿真

在CST仿真軟件中，建立了PTC的DC/DC變換器仿真電路，如圖7所示。為了便于分析，在電源輸入端加入了LISN，并在LISN的正負極之間分別設置了50 Ω的接收電阻。MOS管輸入的PWM信號使用脈沖波形電壓源，同時在CST軟件中添加了額外的等效端口脈沖電壓信號源以模擬實際工作條件。此外，MOS管、隔離變壓器和輸出整流二極管導入包含寄生參數的SPICE模型，以確保仿真結果能夠準確反映實際電路的高頻特性。

該電路的輸入電壓為電動汽車低壓系統提供的12 V直流電壓，輸出端并聯2個10 Ω的電阻作為負載。電路采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation， PWM）的矩形脈沖電壓信號源來驅動MOS開關管的通斷。脈沖電壓信號源的具體參數設置如表1所示，其頻率由脈沖周期決定，設定周期為2.049 μs，對應的開關頻率為488 kHz。

通過仿真運行瞬態分析，測得輸入和輸出電壓波形如圖8所示。當電路達到穩定狀態后，輸入電壓約為11.5 V，符合電路工作要求；輸出電壓約為5 V，能夠為PTC電路上的芯片提供穩定的供電。仿真結果表明，該電路能夠實現穩定的降壓功能，滿足設計要求，同時也具備了進一步分析傳導干擾（Conducted Interference）的前提條件。

為了評價DC/DC變換器中的傳導耦合干擾，采用線性阻抗穩定網絡即LISN進行傳導干擾測試。不管是差模干擾還是共模干擾，都通過差模電流和共模電流流經LISN到接收機，通過計算機分析得出傳導干擾的頻譜圖。共模和差模電流的計算公式為：

[ICM=（IL+IN）/2] （1）

[IDM=（IL-IN）/2] （2）

式中[：ICM]為共模電流，[IDM]為差模電流，[IL]為流經火線上的電流，[IN]為流經零線上的電流。

由歐姆定律，推導得共模和差模干擾電壓為：

[UCM=50ICM=（U1+U2）/2] （3）

[UDM=50IDM=（U1-U2）/2] （4）

式中[：UCM]為共模電壓，[UDM]為差模電壓，[U1]為流經LISN正極的電壓，[U2]為流經LISN負極的電壓。

在CST中設置瞬態仿真任務，對傳導干擾電壓法進行仿真，結果如圖9所示。

圖9顯示了PTC開關電源的工作回路在0.1～30 MHz頻段內的共模干擾和差模干擾分布情況。實線代表共模干擾幅值，虛線代表差模干擾幅值，由圖9可看出，共模干擾的幅值明顯高于差模干擾，仿真結果符合理論公式。因此，針對傳導干擾超標的問題，應主要從共模干擾回路入手，采取有效的措施來降低電磁干擾。

3.2 有PCB布局影響下的傳導干擾仿真

由于實際器件在PCB上的布局分布對電磁兼容性有重要影響，因此有必要將PCB布局和電路設計進行協同仿真[9]。本文使用Altium Designer（AD）軟件構建了DC/DC功率回路的PCB布局，采用兩層板設計，將電路元件和走線逐一規劃后，將DC/DC電路的PCB板以ODB文件格式導入到CST中，對PCB板上的元器件建立離散端口，并添加了輸入端和輸出端的離散端口，如圖10所示。

在PCB布局確定情況下，在協同仿真搭建頁面將元器件一一對應連接到PCB建模中設置的端口，搭建場路協同仿真，如圖11所示。設置仿真頻率范圍為傳導干擾最為顯著的0～30 MHz，仿真時間為1 000 μs。邊界條件方面，將X和Z方向設置為電邊界，勾選CombineResults選項，以實現電路級仿真和板級仿真聯合分析。通過瞬態仿真，得到了考慮PCB布局影響下的傳導干擾頻譜，如圖12所示。

由仿真結果可知，在場路協同仿真下，DC/DC的傳導干擾頻譜圖波形趨勢與純電路仿真的頻譜波形基本一致，但在有PCB影響下的傳導干擾幅值整體比純電路的傳導干擾幅值更大，且在高頻段表現得更為顯著。這是由于在PCB布局走線時存在寄生參數，導致整體傳導干擾情況惡化，且寄生參數在高頻時的影響尤為明顯。PCB的元器件布局、走線設計、傳輸帶長度、回路面積、地線走向以及整體布局等因素都會對電磁干擾產生重要影響。本文通過對比仿真得出的PCB整體布局傳導干擾情況與純電路仿真的傳導干擾情況，進一步驗證了PCB布局對傳導干擾的顯著影響，如圖13所示。

圖13中，實線的頻譜代表考慮PCB布局影響下的傳導干擾情況，虛線頻譜線代表純電路仿真的傳導干擾情況。從圖中可以看出，在PCB結構的影響下，傳導干擾的整體幅值比純電路仿真結果高1～5 dBμV，這驗證了PCB結構對電磁干擾的決定性作用。

3.3 Π型濾波器設計和驗證

針對DC/DC回路在工作中發出的傳導干擾，本文設計了一種Π形濾波器。該濾波器由靠近LISN端的電容和共模電感以及靠近干擾源的電容組成。為評估該濾波器的性能，重點分析了其插入損耗。插入損耗越大，表明該濾波器抑制干擾的能力越強。插入損耗的定義為：

[Lin=20logU1U2] （5）

式中：[Lin]為插入損耗，[U1]為無電源濾波器時負載端的電壓，[U2]為加入電源濾波器后負載端的電壓。

設[Ucm1]為不加濾波器時的共模噪聲電壓值，[Ucm2]為加上濾波器時的共模噪聲電壓值，[ZNcm]為共模噪聲源的阻抗，[INcm]為共模噪聲源的電流，[RLISNcm]為共模情況下線性穩定阻抗網絡的阻抗，[ZLcm]為共模電感的阻抗，[Lin cm]為共模插入損耗，則：

[Ucm1=RLISNcmZNcmRLISNcm+ZNcmINcm] （6）

[Ucm2=RLISNcmZNcmRLISNcm+ZNcm+ZLcmINcm] （7）

將式（6），式（7）代入式（5）中得：

[Lin cm=20logRLISNcm+ZNcm+ZLcmRLISNcm+ZNcm] （8）

若[Lin cm]gt;0，則插入損耗gt;0，表明共模電感能夠有效衰減共模噪聲電壓。阻抗匹配度越高，插入損耗越大，濾波效果越顯著[10]。

設[Udm1]為未加濾波器時的差模噪聲電壓值，[Udm2]為加入濾波器時的差模噪聲電壓值，[ZNdm]為差模噪聲源的阻抗，[INdm]為差模噪聲的電流，[RLISNdm]為差模情況下線性穩定阻抗網絡的阻抗，[ZCdm]為差模濾波電容的阻抗，[Lin dm]為差模插入損耗，則：

[Udm1=RLISNdmZNdmRLISNdm+ZNdmINdm] （9）

[Udm2=RLISNdmZNdmZCdmRLISNdmZCdm+ZNdm（RLISNdmZCdm）INdm] （10）

將式（9），式（10）代入式（5）中得：

[Lin dm=20log[1+RLISNdmZNdmZCdm（RLISNdm+ZNdm）]] （11）

若[Lin dm]gt;0，差模噪聲就可得到衰減。

根據汽車電子電磁兼容測試標準要求，將考慮PCB布局影響下的仿真傳導干擾的幅值結果與標準限值進行對比，結果顯示整體傳導干擾幅值超出了標準限值。為了滿足標準要求，設計的Π型濾波器需要在差模和共模噪聲上均具有顯著的插入損耗。根據阻抗極大不匹配原則，通過代入電路濾波前后的參數進行計算，最終選擇了1個10 μH的電感和2個4.7 μF的電容構成Π型濾波器，其結構如圖14所示。電感采用SPICE模型進行建模，仿真結果如圖15所示。

仿真結果表明，加入Π形濾波器后，傳導干擾幅值在整個仿真頻段上都有明顯的下降，最高干擾幅值下降到44.6 dBμV，滿足了汽車電子EMC測試標準的要求，符合汽車電子傳導干擾標準，驗證了本文設計的Π型濾波器的有效性。

4 結束語

本文仿真分析了電動汽車PTC加熱器開關電源的電磁傳導干擾情況，從干擾源的提取和產生機理，到干擾路徑的分析和DC/DC功率回路的仿真搭建，將抽象的電磁干擾可視化地分析，通過仿真驗證了在有PCB影響下DC/DC回路的傳導干擾幅值比純電路傳導干擾幅值大并更貼合實際。提出了加入Π形濾波器的方式有效降低了DC/DC功率回路的傳導干擾，并驗證了有效性，為電動汽車PTC加熱器開關電源的電磁干擾仿真分析預測提供了有力的理論依據和抑制措施的參考。

參 考 文 獻

[1] 江心怡， 陳泓霖. 基于軟開關技術的DC/DC變換器電磁干擾抑制研究現狀及發展趨勢[J]. 機電工程技術， 2023， 52（11）：" 11-17.

[2] 汪曉文， 康婷， 康端剛等. 開關電源的輸入濾波器設計及傳導干擾抑制[J]. 電源技術， 2020， 44（12）：1822-1825+1830.

[3] DALAL D N， CHRISTENSEN N. Impact of Power Module Parasitic Capacitances on Medium-Voltage SiC MOSFET Switching Transients[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2019， 8（1）： 298-310.

[4] 王建淵， 栗俊明， 陳曉煊等. 逆變器共模電壓干擾及抑制措施研究[J]. 電源學報， 2023， 21（4）： 195-201.

[5] 張淙哲， 房育良， 劉昊天. 電磁兼容技術及其在開關電源中的運用[J]. 通信世界， 2022（11）： 41-43.

[6] 崔曉， 曾光， 熊宇等. 開關電源電磁干擾的成因及對策[J]. 中國新技術新產品， 2021（14）： 45-48.

[7] 游冬， 熊昶智. 開關電源電磁兼容問題解決方法的研究[J]. 電子測試， 2019（11）： 107-108.

[8] 鄭曦， 尹華. 反激變壓器高頻寄生參數的仿真分析研究[J]. 微電子學， 2022， 52（03）： 372-375+382.

[9] 劉博亞. 基于開關電源模塊的EMI建模仿真及干擾特征分析[D]. 西安： 西安電子科技大學， 2021.

[10] 廖臻， 廖志斌， 劉宇平. 基于CST仿真軟件的阻抗匹配設計教學實驗[J]. 實驗技術與管理， 2021， 38（2）： 204-207.

（責任編輯 明慧）