電動(dòng)汽車(chē)用電機驅動(dòng)系統的電磁兼容技術(shù)研究

基于電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)和應用要求，對車(chē)用電機驅動(dòng)系統電磁騷擾特性及傳播機制進(jìn)行了分析，采用騷擾源抑制、系統接地、電磁屏蔽、系統合理布局等措施實(shí)現了系統電磁兼容性能的有效提升。文中給出的整改方案已應用于某款純電動(dòng)汽車(chē)，滿(mǎn)足了國標要求，證明文中給出的電磁兼容方案是行之有效的。

電動(dòng)汽車(chē)上的電力電子變換裝置無(wú)論數量還是功率都遠遠超過(guò)傳統汽車(chē)，電磁兼容問(wèn)題的嚴重性和復雜性也遠高于傳統汽車(chē)。電機驅動(dòng)系統是電動(dòng)汽車(chē)的三大關(guān)鍵系統之一，也是最重要的功率變換裝置，其電磁兼容性能（electromagneTIccompaTIbility，簡(jiǎn)稱(chēng)為EMC）不僅關(guān)系到自身的工作可靠性，而且會(huì )影響整車(chē)的安全運行能力和工作可靠性。從目前已有的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)產(chǎn)品的檢測過(guò)程來(lái)看，大部分車(chē)型都是經(jīng)過(guò)多次整改才能夠達到國標的相關(guān)規定。 鑒于電磁兼容問(wèn)題的重要性，基于電磁騷擾耦合和傳播的一般機制，本文給出了電動(dòng)汽車(chē)用電機驅動(dòng)系統的電磁兼容分析及解決方案，并給出了電磁兼容的測試結果。

1 車(chē)用電機驅動(dòng)系統電磁騷擾分析

車(chē)用電機驅動(dòng)系統的電機控制器由主回路、控制電路、機箱、散熱器、電纜等幾部分組成。其中主回路的主要部件為功率模塊，如IPM或IGBT等，是控制器的主要騷擾源，而平行雙線(xiàn)組成環(huán)路的電感。

（1）

式中：s為平行雙線(xiàn)的間隔；r為導線(xiàn)半徑。

在高頻的開(kāi)關(guān)頻率（幾十kHz）下，產(chǎn)生很高的du/dt和di/dt，與直流母線(xiàn)的雜散電感相作用將產(chǎn)生很高的電流尖峰；而車(chē)用電機控制器的母線(xiàn)電壓一般為上百伏，故在產(chǎn)生PWM波的同時(shí)伴有很高的電壓峰值，這必然將帶來(lái)嚴重的電磁騷擾噪聲，通過(guò)近場(chǎng)和遠場(chǎng)耦合形成傳導和輻射騷擾?？刂齐娐樊a(chǎn)生的PWM 信號以及輸出的高頻時(shí)鐘脈沖波也會(huì )產(chǎn)生差模和共模輻射，但其輻射水平較低，產(chǎn)生的電磁騷擾一般較小。機箱的屏蔽性差也會(huì )帶來(lái)電磁泄漏產(chǎn)生電磁騷擾。散熱器會(huì )產(chǎn)生電磁振蕩，散熱片通常具有復雜的幾何形狀，具有多頻帶的RF輻射特性，很可能對開(kāi)關(guān)頻率諧波起到輻射天線(xiàn)作用。電纜的不合理布設及非屏蔽也會(huì )產(chǎn)生較大的電磁騷擾。

電機驅動(dòng)系統另外一個(gè)嚴重的電磁騷擾源來(lái)自電機。電機是電感性設備，電機工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生很強的脈沖流并且可以在電源網(wǎng)絡(luò )中傳播，向周?chē)臻g輻射。電機的開(kāi)、停以及負荷改變都會(huì )使工作電流改變并產(chǎn)生脈沖電流，這種騷擾表現為不規則的脈沖流，頻譜約為10kHz耀1GHz。因此，電機驅動(dòng)系統是電動(dòng)汽車(chē)的主要電磁騷擾源［2-3］。

2 解決方案

理論與實(shí)踐表明，任何電磁騷擾的發(fā)生必須具備3個(gè)條件：騷擾源、傳播騷擾的途徑和敏感設備。任意一個(gè)條件的削弱或缺失，都將使電磁騷擾問(wèn)題得到改善和解決?；谝陨戏治?，此次開(kāi)發(fā)的電機驅動(dòng)系統的電磁兼容設計采取了如下技術(shù)方案。

2.1抑制騷擾源

（1）設計低寄生電感的功率母線(xiàn)：采用疊層母線(xiàn)結構設計技術(shù)［4］，由正負導電銅板和中間的絕緣體構成一個(gè)3層結構，可以大大降低直流母線(xiàn)的寄生電感，從而降低浪涌電流及尖峰電壓。圖1給出了母線(xiàn)的設計圖紙。

圖1疊層母線(xiàn)設計圖

（2）簡(jiǎn)單起見(jiàn)，采用了單電容的吸收回路，抑制高頻尖峰電壓及電流，并最終在吸收電路中消耗或反饋到電源中去。單電容吸收電路如圖2所示。

圖2 單電容吸收電路

（3）每個(gè)IGBT門(mén)極驅動(dòng)采用獨立電源供電，如圖3，并且采用-8V的反向偏置電壓，以避免噪聲騷擾。

圖3門(mén)極驅動(dòng)獨立電源

（4）在控制電源及動(dòng)力電源輸入側加裝EMI濾波器，如圖4所示，既可以降低系統電磁發(fā)射強度，又可以提高系統的抗擾能力，但阻抗選擇要根據系統工作頻率和阻抗特性進(jìn)行匹配。

圖4電源EMI濾波器電路圖

（5）驅動(dòng)電機是車(chē)用驅動(dòng)系統最強的電磁騷擾源，將電機外殼形成一個(gè)良好的密封體實(shí)現屏蔽的完整性，防止電磁泄漏，再通過(guò)多點(diǎn)接地的方式將電機屏蔽外殼與整車(chē)可靠接地，可以有效降低電機的電磁輻射水平。

2.2 消除傳播途徑———接地、去耦、屏蔽設計

（1）根據地線(xiàn)分流原則。將強電與弱電地線(xiàn)分線(xiàn)，數字電路和模擬電路地線(xiàn)分線(xiàn)，安全地、信號地和噪聲地分線(xiàn)，最后輻射狀匯聚到一個(gè)公共接地點(diǎn)；采用光電隔離阻隔地環(huán)流，切斷騷擾途徑；外殼及散熱器等與大地可靠連接，防止外界磁場(chǎng)的騷擾以及靜電擊穿；靈活運用多點(diǎn)和單點(diǎn)接地。

（2）從系統整體角度而言，通過(guò)屏蔽措施使驅動(dòng)系統達到良好的電磁屏蔽效果也是解決系統EMC的有效手段之一。電磁屏蔽的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導電連續性，將機箱形成一個(gè)連續密封的導電體，使耦合到內部電路的電磁場(chǎng)被反射和吸收。在機箱的永久性接縫處采用焊接工藝密封；在機箱的非永久性接縫處加入實(shí)心導電橡膠條作為導電襯墊，從而有效保證了屏蔽的完整性。在動(dòng)力線(xiàn)纜與信號線(xiàn)纜穿越機箱部分的屏蔽連續性設計也至關(guān)重要，可以采用帶屏蔽的插頭插座或在端接處使用動(dòng)力線(xiàn)纜屏蔽壓接裝置［5-6］，實(shí)現屏蔽層與機箱的360毅端接，以及采用濾波連接器設計，可以有效地抑制輻射耦合。圖5和圖6為相關(guān)措施的示意圖。

圖5屏蔽動(dòng)力線(xiàn)纜插座

圖6導電襯墊

2.3 提高系統的抗擾能力

（1）合理的整體布局。首先，將強電與弱電分開(kāi)，避免彼此間的騷擾影響；其次，采取不同的電源分別供給數字信號和模擬信號，以確保彼此信號不會(huì )因為電源而彼此影響。

（2）控制器電源的抗擾設計?？刂齐娫床捎酶綦x的模塊電源，不同電路隔離供電?？刂齐娫碋MC設計主要有如下措施：一是將電源輸入輸出線(xiàn)絞合并縮短與進(jìn)線(xiàn)端的距離，在進(jìn)線(xiàn)端增加共模扼流圈、維持電容、去耦電容以及濾波電容，如圖4所示。二是縮短進(jìn)線(xiàn)端與負載間的距離，增大導線(xiàn)面積，以減小連接電阻對負載調整率的影響。

（3）控制板抗擾性設計。淤采用光電隔離；于元器件的降額使用；盂選用集成度高的元器件；榆適當加入濾波和去耦電路，如每個(gè)集成電路安置一個(gè)0.01耀 0.1滋F的電容，并且使電容與芯片電源端和地線(xiàn)端之間的聯(lián)線(xiàn)盡量短；虞數據線(xiàn)、地址線(xiàn)、控制線(xiàn)要盡量短，以減少對地電容；愚多層分區設計，控制電路板采用多層設計，可有效地降低電源線(xiàn)和地線(xiàn)的阻抗及有效減少電路的環(huán)路面積，本文將控制電路板分為4個(gè)區，包括電源區、模擬電路分區、數字電路分區以及隔離通訊電路分區。

3 實(shí)驗結果

圖7所示為系統測試配置框圖。電機系統采用轉速控制模式，模擬實(shí)車(chē)運行狀態(tài)。其中，電機為永磁同步電機，峰值功率35kW，最高轉速6000r/min。

圖7系統測試框圖

圖8為該電機系統經(jīng)過(guò)上述電磁兼容整改方案前后的輻射騷擾垂直極化測試結果，主要頻點(diǎn)均降低了50dB以上。從圖8（a）中可以看出，未加電磁兼容設計整改的超標嚴重；

而通過(guò)整改后，該電機系統通過(guò)了CISPR25：2008零部件的輻射發(fā)射Class3要求，如圖8（b）所示。

（a）整改前

（b）整改后

圖8輻射騷擾垂直極化測試結果

4 結束語(yǔ)

對于采用電力電子裝置的電機驅動(dòng)系統而言，電磁兼容與干擾抑制無(wú)疑是至關(guān)重要的。針對電動(dòng)汽車(chē)的特殊性，本文采用騷擾源抑制、系統接地、電磁屏蔽、系統合理布局等措施有效提升了車(chē)用電機驅動(dòng)系統的電磁兼容性能。通過(guò)一款純電動(dòng)汽車(chē)用電機驅動(dòng)系統的應用以及國標所涉及各個(gè)項目的整改和測試，證明了本文方案的正確性和有效性。