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純電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)三相線濾波磁環(huán)設(shè)計(jì)

2021-11-13 18:34:09·  來源：新能源汽車家園  作者：尹卓等  
　
0 引言隨著近年來能源安全、低碳經(jīng)濟(jì)的倡導(dǎo)，新能源汽車得到了蓬勃的發(fā)展。DC/DC、OBC、電機(jī)控制器-電機(jī)系統(tǒng)、 動力蓄電池構(gòu)成了電動汽車的主要高壓架構(gòu)，隨著車
0 引言
隨著近年來能源安全、低碳經(jīng)濟(jì)的倡導(dǎo)，新能源汽車得到了蓬勃的發(fā)展。DC/DC、OBC、電機(jī)控制器-電機(jī)系統(tǒng)、 動力蓄電池構(gòu)成了電動汽車的主要高壓架構(gòu)，隨著車載高壓部件功率密度的不斷提高、開關(guān)器件的開關(guān)速度不斷加快使電動汽車相較于傳統(tǒng)汽車的電磁兼容問題更為嚴(yán)酷。
在控制器-電機(jī)系統(tǒng)中，高壓電驅(qū)動模塊通過三相線/三相銅排將干擾傳導(dǎo)到電機(jī)， 造成電機(jī)軸電壓、軸電流及共模電流（漏電流）過大等負(fù)面問題，由此引發(fā)的電磁干擾會對其它零部件乃至整車的正常工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響， 必須通過有效的濾波設(shè)計(jì)對電機(jī)控制器三相輸出端的 EMI 進(jìn)行抑制。
對于降低電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的電磁干擾已經(jīng)有大量相關(guān)研究，主要有直流母線輸入濾波研究[1]、四橋臂逆變器[2]、控制器輸出三相線端口濾波電路設(shè)計(jì)[3]，但是直流母線輸入濾波不能很好地解決電機(jī)控制器到電機(jī)的傳導(dǎo)和輻射干擾， 四橋臂逆變器和輸出無源或有源濾波器在成本和工程方面還需進(jìn)一步探索實(shí)施。本文基于工程實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一種在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)三相輸出端添加共模磁環(huán)的方案來抑制功率控制器耦合到電機(jī)的電磁干擾。
1 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容性分析

1.1 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的干擾源分析
電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的主要干擾源是功率開關(guān)器件的開關(guān)動作，目前車用硅基 IGBT 的工作頻率一般為10kH，同時(shí)由于電路中雜散電感等寄生參數(shù)的存在，IGBT 在開通和關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生較高的 du/dt 和 di/dt，如圖 1(b)所示某款純電動汽車用 IGBT 模塊工作過程中產(chǎn)生的 du/dt≈3840V/us，di/dt≈2145A/us，這勢必將在電機(jī)驅(qū)動回路中產(chǎn)生頻譜范圍廣闊的 EMI騷擾， 某款電機(jī)電控系統(tǒng)的原始狀態(tài) AM 頻段輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)如圖 2 所示，從圖中可以看出在3MHz處的騷擾尤為嚴(yán)重。


(a) 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)簡化電路

(b) IGBT 雙脈沖試驗(yàn)結(jié)果
圖 1 電機(jī)驅(qū)動電路的主要干擾源分析

圖 2 電機(jī)及其控制器 AM 頻段測試結(jié)果
1.2 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的干擾傳播路徑分析

圖 3 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的共模干擾路徑分析
du/dt 和 di/dt 引起的噪聲在路徑中傳播產(chǎn)生的共模干擾是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) EMI 問題的難點(diǎn)所在[4]。如圖 3 所示共模電流的主要流通路徑有兩條， 一條是從 IGBT 逆變模塊通過散熱片與機(jī)殼之間的分布電容 C1 傳導(dǎo)至參考地平面， 另外一條是共模電流Icom1/Icom2/Icom1 通過電機(jī)繞組之后， 由電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的寄生電容 C2 及機(jī)殼與參考地之間的分布電容 C3 構(gòu)成流通回路。
受脈沖上升時(shí)間、電纜參數(shù)、感應(yīng)電機(jī)等效阻抗等因素的影響， 共模電流在從控制器流向電機(jī)繞組時(shí)會出現(xiàn)阻抗不匹配引起的反射， 進(jìn)而使電機(jī)端電壓在電平轉(zhuǎn)換 瞬間出現(xiàn)瞬時(shí)過沖現(xiàn)象 （瞬時(shí)過電壓）， 而且數(shù)值最大時(shí)可以達(dá)到逆變器相電壓的 2 倍[5]，有可能加劇電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的 EMI 騷擾。本文基于實(shí)際工程運(yùn)用， 提出在電機(jī)控制器輸出三相電端添加共模磁環(huán)的方式來抑制電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的 EMI 發(fā)射水平。

2 磁環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
為了通過阻斷電機(jī)控制器與電機(jī)之間騷擾傳播路徑的方式來降低整個(gè)系統(tǒng) AM 頻段的騷擾水平，設(shè)計(jì)了一種安裝在逆變器三相輸出端的共模磁環(huán)，磁環(huán)安裝位置如圖 4 所示。
該三相濾波磁環(huán)采用納米晶材料， 納米晶具有高磁導(dǎo)率、高飽和磁通密度、損耗小、高居里溫度、高工作磁感等優(yōu)點(diǎn)， 納米晶材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。


圖 4 磁環(huán)安裝位置示意圖
該磁環(huán)采用厚度 21μm 的納米晶磁芯繞制成跑道型，經(jīng)過高溫退火以及橫磁場處理而成，再將處理過的磁芯安裝到 PBT 外殼中，灌封硅膠處理。該磁環(huán)安裝在電機(jī)控制器三相輸出的銅排端， 結(jié)構(gòu)方面具有體積小、占用高度小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；電氣方面具有高電感量、高磁導(dǎo)率、高飽和磁通密度、銅損小、居里溫度高等突出優(yōu)點(diǎn)，完全滿足 QC/T 413-2002、GB/T 2423.5-1995 震動沖擊的標(biāo)準(zhǔn)。


磁環(huán)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示， 該磁環(huán)用 M6 的螺釘鎖緊到電機(jī)控制器的殼體內(nèi)壁上， 三相輸出的銅排從磁環(huán)的三個(gè)孔穿過，該結(jié)構(gòu)使三相有效的隔離開來，加強(qiáng)了三相之間相對爬電距離。


（a）三維圖

（b）外形圖

圖 5 磁環(huán)結(jié)構(gòu)
由于電機(jī)為感性器件， 原設(shè)計(jì)中電機(jī)控制器端未設(shè)置感性匹配，導(dǎo)致高頻干擾由電機(jī)端進(jìn)行反射，加大了線纜輻射干擾的嚴(yán)酷程度（如圖 2 所示）。本文設(shè)計(jì)的三項(xiàng)濾波磁環(huán)等效為一個(gè)低通濾波器，與電機(jī)感性匹配，將干擾抑制在電機(jī)控制器內(nèi)部，從而可以減小騷擾電流流經(jīng)的電路環(huán)路面積， 達(dá)到降低系統(tǒng) EMI 騷擾水平的目的。如圖 6 所示為加裝納米晶三相共模磁環(huán)后的 AM 頻段輻射發(fā)射測試結(jié)果對比， 圖中綠色和藍(lán)色曲線為未加磁環(huán)測得的輻射騷擾曲線， 紅色和黑色曲線為添加三相納米晶濾波磁環(huán)后測得的輻射騷擾曲線。通過對比可知三相磁環(huán)的使用使輻射騷擾在400kHz 以上具有明顯的降低，最高可達(dá)10dB。


圖 6 AM 頻段輻射騷擾對比圖
3 結(jié)束語
本文通過理論分析指出了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的共模電流流通路徑，從抑制逆變器-電機(jī)的騷擾傳播路徑出發(fā)， 設(shè)計(jì)了一種安裝在電機(jī)控制器三相電輸出端口的納米晶材質(zhì)磁環(huán)。該共模磁環(huán)的引入減小了共模電流的流通環(huán)路面積， 從而有效的抑電機(jī)控制器在工作時(shí)產(chǎn)生的輻射發(fā)射的強(qiáng)度， 提高了 整車的EMC 設(shè)計(jì)可靠性，為工程設(shè)計(jì)降低電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)整體輻射騷擾提供了思路。
然而在實(shí)際應(yīng)用中， 三相磁環(huán)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)不同的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)來設(shè)計(jì)不同的參數(shù)指標(biāo)， 具有普適性的共模磁環(huán)方案有待進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)
[1] 鄭勝敏, 吳森. 電動汽車交流調(diào)速電機(jī)變頻器濾波電容器研究[C]// 中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會第七屆學(xué)術(shù)年會論文匯編.上海:中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會, 2007.
[2] JULIAN A L, ORITI G, LIPO T A. Elimination of commonmode voltage in three -phase sinusoidal power converters[J].IEEE Transactions onPower Electronics, 1996, 2(5):982-989.
[3] 劉喆. 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的傳導(dǎo)干擾建模與抑制方法研究[D]. 重慶:重慶大學(xué), 2015.
[4] BISHNOI H, MATTAVELLI P, BURGOS R, et al. EMIBehavioral Models of DC -Fed Three -Phase Motor DriveSystems [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014,29(9):4633-4645.
[5] JOUANNE A V, ENJETI P, GRAY W. Application issues forPWM adjustable speed AC motor drives [J]. IEEE IndustryApplications Magazine, 1996, 2(5):10-18. 
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