【導(dǎo)讀】基于電動汽車的特點和應(yīng)用要求，對車用電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁騷擾特性及傳播機制進行了分析，采用騷擾源抑制、系統(tǒng)接地、電磁屏蔽、系統(tǒng)合理布局等措施實現(xiàn)了系統(tǒng)電磁兼容性能的有效提升。文中給出的整改方案已應(yīng)用于某款純電動汽車，滿足了國標(biāo)要求，證明文中給出的電磁兼容方案是行之有效的。
電動汽車上的電力電子變換裝置無論數(shù)量還是功率都遠遠超過傳統(tǒng)汽車，電磁兼容問題的嚴重性和復(fù)雜性也遠高于傳統(tǒng)汽車。電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的三大關(guān)鍵系統(tǒng)之一，也是最重要的功率變換裝
置，其電磁兼容性能（electromagneticcompatibility，簡稱為EMC）不僅關(guān)系到自身的工作可靠性，而且會影響整車的安全運行能力和工作可靠性.從目前已有的電動汽車整車產(chǎn)品的檢測過程來看，大部分車型都是經(jīng)過多次整改才能夠達到國標(biāo)的相關(guān)規(guī)定。鑒于電磁兼容問題的重要性，基于電磁騷擾耦合和傳播的一般機制，本文給出了電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容分析及解決方案，并給出了電磁兼容的測試結(jié)果。
1 車用電機驅(qū)動系統(tǒng)電磁騷擾分析
車用電機驅(qū)動系統(tǒng)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，而平行雙線組成環(huán)路的電感（H/m）為
式中：s為平行雙線的間隔；r為導(dǎo)線半徑。在高頻的開關(guān)頻率（幾十kHz）下，產(chǎn)生很高的du/dt和di/dt，與直流母線的雜散電感相作用將產(chǎn)生很高的電流尖峰；而車用電機控制器的母線電壓一般為上百伏，故在產(chǎn)生PWM波的同時伴有很高的電壓峰值，這必然將帶來嚴重的電磁騷擾噪聲，通過近場和遠場耦合形成傳導(dǎo)和輻射騷擾。控制電路產(chǎn)生的PWM信號以及輸出的高頻時鐘脈沖波也會產(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帶來電磁泄漏產(chǎn)生電磁騷擾.散熱器會產(chǎn)生電磁振蕩，散熱片通常具有復(fù)雜的幾何形狀，具有多頻帶的RF輻射特性，很可能對開關(guān)頻率諧波起到輻射天線作用。電纜的不合理布設(shè)及非屏蔽也會產(chǎn)生較大的電磁騷擾。
電機驅(qū)動系統(tǒng)另外一個嚴重的電磁騷擾源來自電機.電機是電感性設(shè)備，電機工作時會產(chǎn)生很強的脈沖流并且可以在電源網(wǎng)絡(luò)中傳播，向周圍空間輻射.電機的開、停以及負荷改變都會使工作電流改變并產(chǎn)生脈沖電流，這種騷擾表現(xiàn)為不規(guī)則的脈沖流，頻譜約為10kHz耀1GHz。
因此，電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的主要電磁騷擾源。
2 解決方案
理論與實踐表明，任何電磁騷擾的發(fā)生必須具備3個條件：騷擾源、傳播騷擾的途徑和敏感設(shè)備。任意一個條件的削弱或缺失，都將使電磁騷擾問題得到改善和解決。基于以上分析，此次開發(fā)的電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計采取了如下技術(shù)方案。
2.1抑制騷擾源
（1）設(shè)計低寄生電感的功率母線：采用疊層母線結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)[4]，由正負導(dǎo)電銅板和中間的絕緣體構(gòu)成一個3層結(jié)構(gòu)，可以大大降低直流母線的寄生電感，從而降低浪涌電流及尖峰電壓.圖1給出了母線的設(shè)計圖紙。
（2）簡單起見，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。
（3）每個IGBT門極驅(qū)動采用獨立電源供電，如圖3，并且采用-8V的反向偏置電壓，以避免噪聲騷擾。
（4）在控制電源及動力電源輸入側(cè)加裝EMI濾波器，如圖4所示，既可以降低系統(tǒng)電磁發(fā)射強度，又可以提高系統(tǒng)的抗擾能力，但阻抗選擇要根據(jù)系統(tǒng)工作頻率和阻抗特性進行匹配。
（5）驅(qū)動電機是車用驅(qū)動系統(tǒng)最強的電磁騷擾源，將電機外殼形成一個良好的密封體實現(xiàn)屏蔽的完整性，防止電磁泄漏，再通過多點接地的方式將電機屏蔽外殼與整車可靠接地，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(shè)計
（1）根據(jù)地線分流原則。將強電與弱電地線分線，數(shù)字電路和模擬電路地線分線，安全地、信號地和噪聲地分線，最后輻射狀匯聚到一個公共接地點；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，防止外界磁場的騷擾以及靜電擊穿；靈活運用多點和單點接地。
（2）從系統(tǒng)整體角度而言，通過屏蔽措施使驅(qū)動系統(tǒng)達到良好的電磁屏蔽效果也是解決系統(tǒng)EMC的有效手段之一。電磁屏蔽的關(guān)鍵是保證屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性，將機箱形成一個連續(xù)密封的導(dǎo)電體，使耦合到內(nèi)部電路的電磁場被反射和吸收.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心導(dǎo)電橡膠條作為導(dǎo)電襯墊，從而有效保證了屏蔽的完整性.在動力線纜與信號線纜穿越機箱部分的屏蔽連續(xù)性設(shè)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力線纜屏蔽壓接裝置，實現(xiàn)屏蔽層與機箱的360毅端接，以及采用濾波連接器設(shè)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。
2.3提高系統(tǒng)的抗擾能力
（1）合理的整體布局.首先，將強電與弱電分開，避免彼此間的騷擾影響；其次，采取不同的電源分別供給數(shù)字信號和模擬信號，以確保彼此信號不會因為電源而彼此影響。
（2）控制器電源的抗擾設(shè)計。控制電源采用隔離的模塊電源，不同電路隔離供電.控制電源EMC設(shè)計主要有如下措施：一是將電源輸入輸出線絞合并縮短與進線端的距離，在進線端增加共模扼流圈、維持電容、去耦電容以及濾波電容，如圖4所示。二是縮短進線端與負載間的距離，增大導(dǎo)線面積，以減小連接電阻對負載調(diào)整率的影響。
（3）控制板抗擾性設(shè)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(dāng)加入濾波和去耦電路，如每個集成電路安置一個0.01耀0.1滋F的電容，并且使電容與芯片電源端和地線端之間的聯(lián)線盡量短；虞數(shù)據(jù)線、地址線、控制線要盡量短，以減少對地電容；愚多層分區(qū)設(shè)計，控制電路板采用多層設(shè)計，可有效地降低電源線和地線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個區(qū)，包括電源區(qū)、模擬電路分區(qū)、數(shù)字電路分區(qū)以及隔離通訊電路分區(qū)。
3 實驗結(jié)果
圖7所示為系統(tǒng)測試配置框圖.電機系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速控制模式，模擬實車運行狀態(tài)。其中，電機為永磁同步電機，峰值功率35kW，最高轉(zhuǎn)速6000r/min。
圖8為該電機系統(tǒng)經(jīng)過上述電磁兼容整改方案前后的輻射騷擾垂直極化測試結(jié)果，主要頻點均降低了50dB以上.從圖8（a）中可以看出，未加電磁兼容設(shè)計整改的超標(biāo)嚴重；而通過整改后，該電機系統(tǒng)通過了CISPR25：2008零部件的輻射發(fā)射Class3要求，如圖8（b）所示。
4 結(jié)束語
對于采用電力電子裝置的電機驅(qū)動系統(tǒng)而言，電磁兼容與干擾抑制無疑是至關(guān)重要的。針對電動汽車的特殊性，本文采用騷擾源抑制、系統(tǒng)接地、電磁屏蔽、系統(tǒng)合理布局等措施有效提升了車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容性能。通過一款純電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用以及國標(biāo)所涉及各個項目的整改和測試，證明了本文方案的正確性和有效性。
推薦閱讀：
