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電動(dòng)汽車(chē)DC-DC 變換器電磁騷擾的抑制

2020-05-13 23:41:00·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
引言大功率DC-DC 變換器是新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，由主電路、控制電路兩部分組成。主電路具有高功率密度、高電壓、高電流變化率的特點(diǎn)，工作時(shí)電磁騷
引言
 
大功率DC-DC 變換器是新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，由主電路、控制電路兩部分組成。主電路具有高功率密度、高電壓、高電流變化率的特點(diǎn)，工作時(shí)電磁騷擾強(qiáng)度大。
某電動(dòng)車(chē)型的開(kāi)發(fā)性試驗(yàn)（電磁騷擾測(cè)試）中，車(chē)輛的電磁騷擾測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重超標(biāo)，排查定位的主要騷擾源為大功率DC-DC 變換器。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，變換器工作時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁騷擾，影響了整車(chē)電磁環(huán)境，導(dǎo)致敏感車(chē)載電器非正常工作。
 
1 電磁騷擾測(cè)試
1.1電動(dòng)汽車(chē)未達(dá)標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)
匯總100 輛電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，分析150 kHz~1 GHz 車(chē)輛各頻段的未通過(guò)情況，圖1 是新能源汽車(chē)樣品未達(dá)標(biāo)情況分布統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)30 MHz~1GHz 頻段未通過(guò)車(chē)輛較多，30% 的車(chē)輛超標(biāo)。
 
電動(dòng)車(chē)輛電磁場(chǎng)的測(cè)量目前執(zhí)行GB 14023-2011《車(chē)輛、船和內(nèi)燃機(jī) 無(wú)線電騷擾特性 用于保護(hù)車(chē)外接收機(jī)的限值和測(cè)量方法》、GB/T 18387-2017《電動(dòng)車(chē)輛的電磁場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度的限值和測(cè)量方法》；零部件高壓器件，一般采用GB/T 18655-2018《車(chē)輛、船和內(nèi)燃機(jī) 無(wú)線電騷擾特性用于保護(hù)車(chē)載接收機(jī)的無(wú)線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》（國(guó)際上采用CISPR 25-2016《車(chē)輛、船舶和內(nèi)燃機(jī) 無(wú)線電干擾特性 船載接收機(jī)保護(hù)用測(cè)量的限值和方法》）測(cè)量電磁騷擾特性。
1.2 DC-DC 變換器電磁騷擾特性測(cè)試
 
按GB/T 18655-2018 高壓器件測(cè)試要求， 將接電動(dòng)汽車(chē)DC-DC 變換器電磁騷擾的抑制收機(jī)、高低壓LISN（Line-impedance stabilizationnetwork）、以及蓄電池等放在實(shí)驗(yàn)桌上搭建測(cè)試平臺(tái)。如圖2，采用320 V 高壓輸入，經(jīng)DC-DC 變換器輸出14.2 V 電壓為蓄電池充電，同時(shí)在蓄電池后面接模擬負(fù)載，盡量模擬電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際工作狀態(tài)。分別進(jìn)行傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾測(cè)試。測(cè)試曲線如圖3、圖4 所示。
 
 
測(cè)量DC-DC 變換器電源端口傳導(dǎo)騷擾時(shí)，采用高壓LISN 隔離電網(wǎng)干擾，高壓LISN 一端接測(cè)試線纜，另一端接50 Ω 阻抗。圖3 的測(cè)試曲線表明：500 kHz~2 MHz 具有規(guī)律明顯的100 kHz 開(kāi)關(guān)頻率信號(hào)，其來(lái)源主要是功率開(kāi)關(guān)管，同時(shí)30~60 MHz 干擾比較明顯；圖4 的輻射發(fā)射測(cè)量曲線中，78.3 MHz、88.55 MHz、142.4~200 MHz 干擾較強(qiáng)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該DC-DC變換器在零部件測(cè)試中不滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。
2 電磁騷擾機(jī)理分析
2.1 DC-DC 變換器的工作原理
電動(dòng)車(chē)DC-DC 變換器的作用主要是將車(chē)內(nèi)的高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，并為車(chē)載蓄電池充電、或?yàn)榈蛪毫悴考╇姟１倦妱?dòng)車(chē)DC-DC 采用全橋Buck 變換電路，將高壓動(dòng)力電池320 V 電壓降為14.2 V，為車(chē)載蓄電池以及其他12 V 用電器提供穩(wěn)定的電壓。其電路拓?fù)鋱D如圖5，DC-DC 變換器選用Q1~Q4 四個(gè)橋臂組成的全橋電路，免除了瀉流干擾及波形變壞。
 
（1）DC-DC 功率器件阻抗特性
DC-DC 變換器涉及到高電壓、大電流，一般由電容、電感、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等大功率器件組成。功率器件規(guī)格、參數(shù)、工作狀態(tài)不同，產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻率不同，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些差（共）模干擾信號(hào)，從而影響車(chē)內(nèi)其他零部件的工作特性。分析實(shí)際應(yīng)用中電容的高頻特性時(shí)，需要考慮其寄生電感LS、分布電阻RS、諧振頻率fR、等效阻抗Z 等因素，電容C 的諧振頻率和等效阻抗分別按式（1）、式（2）計(jì)算:
 
設(shè)計(jì)初期選擇功率器件時(shí)就要計(jì)算其諧振頻率、電路阻抗等參數(shù)，以此來(lái)選擇電容、電阻、電感等，避免功率器件的諧振頻率落入工作頻帶內(nèi)帶來(lái)干擾信號(hào)。
（2）IGBT 開(kāi)關(guān)管的工作特性
 
Buck 電路通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)降壓。如圖6，實(shí)際電路搭建測(cè)試發(fā)現(xiàn)：開(kāi)關(guān)管通斷兩側(cè)的電壓波形會(huì)出現(xiàn)凸起和跌落，開(kāi)通、關(guān)斷瞬間開(kāi)關(guān)管伴隨有較大的電壓變化（dv/dt），波形失真、出現(xiàn)振蕩波，產(chǎn)生較強(qiáng)烈的電磁干擾。
2.2 電磁騷擾耦合方式
產(chǎn)生電磁騷擾必須具備發(fā)射器（干擾源）、傳播途徑、接收器（干擾對(duì)象）三個(gè)條件，圖7 為電磁騷擾耦合方式示意。電動(dòng)車(chē)輛的高壓動(dòng)力系統(tǒng)中，傳導(dǎo)騷擾與輻射發(fā)射是比較常見(jiàn)的兩種干擾方式。
 
DC-DC 變換器功率開(kāi)關(guān)IGBT 管的通斷導(dǎo)致電路滋生較快的電壓變化，形成尖峰電壓，產(chǎn)生電磁騷擾，通過(guò)電路電源線輸出干擾，影響車(chē)載用電器。變換器的設(shè)計(jì)初期，電路輸入端選擇的電容值較小，高頻特性較差，電容自身的高頻阻抗會(huì)導(dǎo)致高頻電流傳到交流電源中，形成傳導(dǎo)型電磁干擾]。
變換器主要由磁性元件（電感或變壓器）、功率開(kāi)關(guān)器件（IGBT）等構(gòu)成。高頻變壓器的初級(jí)線圈、功率開(kāi)關(guān)器件和濾波電容構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。
實(shí)際電路中，常常同時(shí)存在傳導(dǎo)和輻射兩類(lèi)干擾方式，并且因傳輸線路節(jié)點(diǎn)處阻抗的不匹配，兩種干擾傳輸中還會(huì)相互轉(zhuǎn)化。
3 電磁騷擾抑制的分析與建議
3.1 軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用
傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中采用硬開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)過(guò)程中存在電壓和電流均不為零的重疊交越區(qū)域，這個(gè)交越區(qū)域造成的開(kāi)關(guān)損耗稱(chēng)為開(kāi)關(guān)管的切換損耗，同時(shí)這期間電流、電壓變化很快，波形有明顯過(guò)沖，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)噪聲。在電路設(shè)計(jì)中引入軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)零電壓與零電流開(kāi)關(guān)運(yùn)行，大大減小功率器件（IGBT）、變壓器中電壓和電流的變化速度（dv/dt，di/dt），即功率管能在零電壓下導(dǎo)通和零電流下關(guān)斷，大幅減弱DC-DC 轉(zhuǎn)換器的電磁騷擾，如圖8 所示。
 
DC-DC 功率變換器后期改進(jìn)時(shí)，應(yīng)用移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM 控制方式實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，為每個(gè)開(kāi)關(guān)管增加緩沖電路，電路中同時(shí)增加諧振電感Lr，使四個(gè)開(kāi)關(guān)均為零電壓開(kāi)通，避免開(kāi)關(guān)管開(kāi)斷時(shí)引入電路突變雜波信號(hào)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9。
 
利用Multisim 仿真分析，其每個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間略小于1/2 周期，關(guān)斷時(shí)間略大于1/2 周期，其中Q1、Q2 比Q3、Q4 超前約1/2周期，即Q1、Q2 為超前橋臂，Q3、Q4 為滯后橋臂。在Q1、Q4 閉合，Q2、Q3 斷開(kāi)時(shí)，變壓器原邊開(kāi)始向正半周VDQ1 輸出。當(dāng)Q1 斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)VDQ2 續(xù)流，此時(shí)Q2 實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通；當(dāng)Q4 關(guān)斷時(shí)，VDQ3 續(xù)流，實(shí)現(xiàn)Q3 零電壓開(kāi)通。同理，實(shí)現(xiàn)Q1 和Q4 零電壓開(kāi)通。諧振電感Lr 與回路開(kāi)關(guān)管間的電容組成諧振回路，每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管成180 互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂觸發(fā)角的相位差，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角可以調(diào)節(jié)輸出電壓。
3.2 電路寄生參數(shù)分析
實(shí)際電路中，共模（差模）干擾信號(hào)經(jīng)常影響功能器件的正常工作。因此，電路設(shè)計(jì)階段的回路阻抗分析以及濾波器件參數(shù)選擇很重要。理論上，部分高頻干擾電流通過(guò)對(duì)地寄生電容流向地，形成共模干擾；另一部分會(huì)在功率器件（IGBT、變壓器等）之間形成電流環(huán)路，產(chǎn)生差模干擾。
DC-DC 變換電路的共模寄生電容存在于開(kāi)關(guān)管之間，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通或關(guān)斷電壓是主要干擾源。經(jīng)理論計(jì)算和仿真分析，開(kāi)關(guān)器件電磁兼容性能超標(biāo)的源頭為開(kāi)關(guān)器件之間的阻抗匹配情況，以下重點(diǎn)分析共模寄生參數(shù)分布。如圖10 所示，將四個(gè)開(kāi)關(guān)管（Q1~Q4）和硅堆（D1、D2）的對(duì)地共模寄生電容（C1~C4、C6）作為共模路徑的寄生阻抗，功率器件漏極與散熱器之間的電壓差值為系統(tǒng)的共模干擾電壓源（Vcm）。
經(jīng)查閱資料可知，變換器共?；芈返臍W姆關(guān)系為：
 
式中Vcm 是共模干擾電壓源，Zline 是共模回路中連接線的寄生阻抗，變壓器可看作連接線阻抗的一部分，但其值遠(yuǎn)小于回路寄生阻抗，可以省略不計(jì)，由此得到回路中共模寄生參數(shù)引起的阻抗為：
 
式（5）中，d 表示導(dǎo)熱硅脂的涂膜厚度，ε 為導(dǎo)熱硅脂的介電常數(shù)，S 表示功率器件的導(dǎo)熱面積。因此，理論上可通過(guò)改變這三個(gè)因素（d、ε、S）調(diào)節(jié)回路阻抗特性，減小甚至杜絕回路中的共模干擾。
 
3.3 屏蔽措施
（1）線束屏蔽
整車(chē)線束的設(shè)計(jì)、零部件之間連接線束的屏蔽性能也影響整車(chē)的電磁兼容性能。選用線束時(shí)需采用雙絞線、分層式排列等，要考慮線束電壓降、接地電阻等理論參數(shù)。
采用網(wǎng)絡(luò)分析儀與阻抗測(cè)試設(shè)備，測(cè)試整車(chē)與DC-DC 變換器連接線束的輸入阻抗，測(cè)量諧振頻率、動(dòng)態(tài)電抗、動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感等特性值，生成轉(zhuǎn)移阻抗特性圖。在100 kHz~40 MHz 頻段內(nèi)，進(jìn)行幾組線束測(cè)試，選用一組阻抗（屏蔽）特性、轉(zhuǎn)移阻抗相對(duì)較好的線束與DC-DC 變換器連接進(jìn)行零部件電磁騷擾特性測(cè)試驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)干擾降低2~3 dB。
因此，做好線束屏蔽，可以改善整車(chē)電磁環(huán)境。線束轉(zhuǎn)移阻抗曲線如圖11。
 
（2）其他屏蔽措施
途徑，實(shí)際上很多產(chǎn)品都是在成型之后、PCB 板設(shè)計(jì)已定型時(shí)出問(wèn)題，此時(shí)，采用以下方式進(jìn)行性能提升：
（a）改良電子設(shè)備中的電路設(shè)計(jì)，采用濾波器件、不同特性元器件分開(kāi)布局，合理的使用X 與Y 電容，降低電路中共模與差模信號(hào)的干擾；
（b）外殼輻射電磁波較強(qiáng)的電子設(shè)備，可在其輻射功率較大的電路和器件周?chē)?，添加電磁波屏蔽罩、粘貼金屬箔、噴涂導(dǎo)電涂料、鍍導(dǎo)電金屬層或加裝吸波材料 ；
（c）實(shí)際測(cè)試分析過(guò)程中，如設(shè)備某頻段的傳導(dǎo)騷擾電平超標(biāo)，可查閱圖12 找出占主導(dǎo)地位的傳導(dǎo)騷擾信號(hào)類(lèi)型，為EMI 濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)的調(diào)整提供指導(dǎo)。
 
4 DC-DC 變換器EMI 性能優(yōu)化
 
結(jié)合理論分析，DC-DC 變換器電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷設(shè)計(jì)成軟開(kāi)關(guān)方式，降低開(kāi)關(guān)管的雜波信號(hào)；應(yīng)用濾波電容和電感，改變電路阻抗特性，降低共模信號(hào)干擾，從源頭上解決了DC-DC 變換器EMI 超標(biāo)的問(wèn)題；反復(fù)整改后，100 kHz 開(kāi)關(guān)頻率干擾明顯下降，30~60 MHz 干擾下降顯著，如圖13、圖14。連接DC-DC變換器的整車(chē)線束也進(jìn)行了屏蔽處理，采用轉(zhuǎn)移阻抗為6.2 mΩ 的屏蔽線束進(jìn)行連接，最終產(chǎn)品DC-DC變換器達(dá)到了指標(biāo)要求，整車(chē)測(cè)試也滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 14023-2011、GB/T 18387-2017 要求。
 
5 結(jié)語(yǔ)
電動(dòng)汽車(chē)DC-DC 變換器的大功率器件易產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射干擾，影響電動(dòng)汽車(chē)的電磁兼容性。電路前期設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)重視DC-DC 工作原理及功率器件理論特性的分析，為電路的后續(xù)完善奠定基礎(chǔ)。整改時(shí)采用濾波器、移相全橋零電壓開(kāi)關(guān)PWM 控制電路都可以降低開(kāi)關(guān)頻率的干擾，對(duì)與電路中的寄生參數(shù)相關(guān)的物理量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在常規(guī)屏蔽措施的基礎(chǔ)上，采用屏蔽性能良好的線纜，可進(jìn)一步改善整車(chē)電磁兼容性。
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