引  言

電機(jī)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(jī)械能的關(guān)鍵設(shè)備，在電力轉(zhuǎn)換的過程中會產(chǎn)生大量的傳導(dǎo)及輻射騷擾信號，是電動汽車EMC問題的主要零部件之一。
由于監(jiān)管機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制要求及各車廠出于提高自身競爭力的考慮，目前設(shè)計(jì)人員已對電動汽車的EMC問題做了較多的研究，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)也日益為人們所熟知。

其中GB/T18655—2018《車輛、船和內(nèi)燃機(jī)無線電騷擾特性用于保護(hù)車載接收機(jī)的限值和測量方法》是零部件廠商應(yīng)用最為廣泛的EMC標(biāo)準(zhǔn)之一，該標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的逆變器。

但該標(biāo)準(zhǔn)未限定測試中電機(jī)及控制器應(yīng)處于的工作狀態(tài)，根據(jù)文獻(xiàn)的研究，不同工作狀態(tài)下電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的傳導(dǎo)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)GB/T36282—2018《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》，此標(biāo)準(zhǔn)從整車應(yīng)用的角度出發(fā)，對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的輻射騷擾限值、輻射抗擾及傳導(dǎo)抗擾、靜電放電抗擾都做了全面的要求，是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)較為全面的EMC標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)還對測試時電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)處于的工作狀態(tài)做了明確要求，得到了認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。

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

1  電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)EMC影響因素分析

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括電機(jī)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(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。



1.1  騷擾來源

電機(jī)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要的騷擾信號來源。

圖1中S1～S6為半導(dǎo)體開關(guān)，通常為IGBT或MOSFET器件，其工作頻率一般在10kHz至50kHz之間，開關(guān)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(guān)過程產(chǎn)生的高頻紋波電流。開關(guān)頻率通常不在標(biāo)準(zhǔn)考核的傳導(dǎo)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(guān)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(guān)，通常分布在5MHz～20MHz。

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(shí)驗(yàn)測試到的IGBT模塊關(guān)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。



通過儀器測試，該連接回路的寄生電感為35nH，IGBT單元的規(guī)格書中提供的輸出等效電容為2.9nF，可以計(jì)算出回路諧振頻率為15.8MHz，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(dǎo)至低壓電路部分。圖2中還包含開關(guān)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200ns，通過傅里葉分析可以得到其諧波在開關(guān)頻率至50M之間都有分布，幅值隨頻率升高而降低。

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/T36282—2018標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(guān)頻率約為500kHz左右，是傳導(dǎo)騷擾及部分標(biāo)準(zhǔn)中輻射騷擾關(guān)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100MHz以上，適配的外部有源晶振集中于20MHz附近，也屬于傳導(dǎo)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(jī)等效中性點(diǎn)對地的共模電壓，也是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中固有的騷擾來源。

1.2  傳播路徑

傳導(dǎo)騷擾信號可以分為差模信號和共模信號，功率開關(guān)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(dǎo)致的電機(jī)中性點(diǎn)電壓跳變，主要是共模信號。差模信號及共模信號在回路中的傳播路徑如圖4所示。

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(jī)軸及殼體的分布電容。




2  電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)上一節(jié)對騷擾發(fā)生源及傳播路徑的分析，電機(jī)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(diǎn)：

（1）通過高壓直流線纜對其他用電零部件的傳導(dǎo)騷擾。

（2）通過低壓信號線纜對其他用電零部件的傳導(dǎo)騷擾。

（3）通過電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)對汽車零部件EMI重點(diǎn)考核的項(xiàng)目，包括傳導(dǎo)騷擾測試及發(fā)射騷擾測試，因而控制器及電機(jī)設(shè)計(jì)中主要的應(yīng)對措施有：

（1）電機(jī)控制器的高壓直流線纜輸入端，應(yīng)設(shè)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(jī)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(dǎo)及輻射騷擾。

（2）電機(jī)控制器低壓對外線束應(yīng)設(shè)置整體的共模濾波器，以表面?zhèn)鲗?dǎo)騷擾信號通過低壓線束向外傳播，形成傳導(dǎo)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(jī)控制器內(nèi)部應(yīng)設(shè)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(shè)備的兩端均需要與接線端子做完全屏蔽連接，因?yàn)楦邏壕€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。

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

（6）電機(jī)定子繞組對軸的寄生參數(shù)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)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60kW的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，根據(jù)以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。并按照GB/T36282的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了摸底實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)參數(shù)如下：直流電壓：540V；額定電流：160A；額定轉(zhuǎn)速：4000rpm；額定轉(zhuǎn)矩：145N·m。

主要進(jìn)行的項(xiàng)目為寬帶發(fā)射試驗(yàn)，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(jī)殼良好連接。


由于實(shí)驗(yàn)室資源限制，測試過程中未采用標(biāo)準(zhǔn)建議的扭矩運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)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/T36282—2018要求的限值存在較大余量。



4  總結(jié)

本文通過對電機(jī)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中針對EMC問題應(yīng)注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過對實(shí)際設(shè)計(jì)樣機(jī)的摸底測試，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)要點(diǎn)的有效性。