張 戟， 生 玲

(同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804)

0 引 言

動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾分為差模干擾和共模干擾.差模干擾是指由電纜之間所構(gòu)成回路中的干擾噪聲;共模干擾則是電纜與地線所構(gòu)成回路中的干擾噪聲.其中，以共模干擾為主.基于對(duì)系統(tǒng)局部進(jìn)行改善而直接抑制共模干擾電流，降低干擾強(qiáng)度的方法，本文將從屏蔽、接地和緩沖電路方面進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，提出通過減小降低電壓變化率和電流變化率等措施實(shí)現(xiàn)減小漏電流，降低系統(tǒng)干擾強(qiáng)度.

1 布 局

1.1 屏 蔽

(1)電磁屏蔽原理

在電磁兼容工程中，屏蔽被廣泛用于抑制電磁噪聲，其原理就是對(duì)兩個(gè)空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射.屏蔽按機(jī)理可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽［1］.

a. 電場(chǎng)屏蔽

空腔導(dǎo)體(不論是否接地)的內(nèi)部空間不受外電荷和電場(chǎng)的影響;接地的空腔導(dǎo)體，腔外空間不受腔內(nèi)電荷和電場(chǎng)影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽［2］.

實(shí)際應(yīng)用中，靜電屏蔽是隨時(shí)間變化的電場(chǎng).隨著時(shí)間的變化，屏蔽導(dǎo)體上的電場(chǎng)也在移動(dòng)，如圖1(a)是表示兩導(dǎo)體間的交變電場(chǎng)耦合的等效電路圖.干擾源和受擾源通過它們之間的分布電容進(jìn)行耦合.

圖1 導(dǎo)體之間電場(chǎng)耦合和屏蔽措施

導(dǎo)體1 為干擾源，導(dǎo)體2 為受擾源.導(dǎo)體1 和導(dǎo)體2 之間的寄生電容為C12，導(dǎo)體通過寄生電容在導(dǎo)體2 上感應(yīng)出干擾電壓. 設(shè)電壓源Ug 的頻率是ω，則導(dǎo)體2 上的感應(yīng)電壓可表示為:

從式(1)可以看出，在阻抗Z1和Z2都為定值的情況下，寄生電容C12越大，感應(yīng)電壓U2以也越大.當(dāng)導(dǎo)體1 和導(dǎo)體2 之間的距離不能改變時(shí)可以在兩導(dǎo)體間增加入屏蔽板來減小耦合.

在圖1(b)中，電容C13和C23分別是屏蔽層與導(dǎo)體1 和導(dǎo)體2 之間的寄生電容，電容C12是導(dǎo)體1和導(dǎo)體2 之間的寄生電容，當(dāng)在兩導(dǎo)體之間插入屏蔽板，導(dǎo)體1 和導(dǎo)體2 均與屏蔽板3 耦合，它們之間的寄生電容大大減小，因此C12比C13和C23要小許多.屏蔽板的阻抗Z3遠(yuǎn)小于導(dǎo)體1 與導(dǎo)體2 之間的容抗時(shí)，屏蔽板上的電壓可表示為:

此時(shí)，干擾源導(dǎo)體1 在受擾源導(dǎo)體2 產(chǎn)生的噪聲為:

分析式(3)可知，在導(dǎo)體1 和導(dǎo)體2 的距離保持不變時(shí)，因此減小阻抗Z3才能有效地降低噪聲.屏蔽板接地阻抗Z3越小，導(dǎo)體2 上的感應(yīng)噪聲越小，當(dāng)Z3趨近于零時(shí)，兩導(dǎo)體間的大部分耦合通過屏蔽變成兩導(dǎo)體各自與地間的耦合.只要屏蔽體良好接地，就可在很大程度上降低受擾源上的噪聲.

b. 磁場(chǎng)屏蔽

低頻磁場(chǎng)的磁力線是連續(xù)閉合的曲線，屏蔽罩采用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料制作，因其磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣磁阻，可以限制其作為干擾源對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾，同時(shí)使外界的磁場(chǎng)干擾不會(huì)影響到內(nèi)部的工作設(shè)備(如圖2 所示). 因此，屏蔽板殼體越厚，屏蔽效果越好.

圖2 低頻磁場(chǎng)屏蔽

在高頻磁場(chǎng)穿透金屬板塊時(shí)，在金屬板中會(huì)造成渦流. 高頻磁場(chǎng)屏蔽主就是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在導(dǎo)體表面所產(chǎn)生的渦流的反磁場(chǎng)抵消原磁場(chǎng)達(dá)到屏蔽效果. 屏蔽材料通常采用選擇良好導(dǎo)電體，例如銅、鋁等.

c. 電磁場(chǎng)屏蔽

電磁場(chǎng)屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場(chǎng)在空間傳播的一種措施. 當(dāng)電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對(duì)人射波產(chǎn)生反射.未被表面反射掉而進(jìn)人屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過程中，被屏蔽材料所衰減. 在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時(shí)，遇到金屬空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會(huì)形成再次反射并重新返回屏蔽體內(nèi). 因此，電磁屏蔽體對(duì)電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收［1］.

(2)車輛動(dòng)力系統(tǒng)屏蔽方案

DC/AC 逆變器作為系統(tǒng)擁有外圍屏蔽殼體，在內(nèi)腔里的主電路和控制電路用導(dǎo)電中隔板分開.逆變器屏蔽殼體采用鋼板材料，并且在外層鍍鋅，從而屏蔽殼體具有良好的導(dǎo)電率和較好的導(dǎo)磁性，對(duì)電場(chǎng)有理想的屏蔽效果，對(duì)低頻磁場(chǎng)也能起到較好的屏蔽作用.當(dāng)有導(dǎo)線要穿過屏蔽體時(shí)，必須使用貫通濾波器，如圖3 所示.這樣可以將導(dǎo)線接收到的干擾濾除到屏蔽體上，從而避免干擾穿過屏蔽體［3］.

圖3 給導(dǎo)線加貫通濾波器示意圖

圖4 車輛接地方式

圖5 控制電路的接地方式

屏蔽體的上的孔洞和縫隙是影響屏蔽效能的重要因素.針對(duì)逆變器屏蔽箱體上的信號(hào)線、信號(hào)線開口和機(jī)箱部件之間的縫隙采取屏蔽措施，金屬接插件和屏蔽電纜對(duì)開口提供良好的電磁密封;采用導(dǎo)電布和銅箔粘接金屬機(jī)箱上的縫隙［4］;信號(hào)電纜在端接處保證與機(jī)箱的360 度端接.上下兩部分之間的接縫用導(dǎo)電墊圈進(jìn)行處理，保證其良好的射頻接觸.

(3)動(dòng)力線纜的屏蔽

逆變器的輸入電壓經(jīng)一系列PWM 調(diào)制過后產(chǎn)生的矩形波組成的周期波形，它較好地消除了低倍頻分量，但又引入了頻率更高的分量.因此，需要對(duì)動(dòng)力線纜采取屏蔽電纜，并對(duì)電纜兩端接地. 當(dāng)噪聲電流必須流回變頻器時(shí)，屏蔽層則會(huì)形成一條最有效的通道，可以大大降低系統(tǒng)的電磁噪聲.

圖6 驅(qū)動(dòng)電路電源示意圖

圖7 常見緩沖電路拓?fù)鋱D

1.2 接 地

(1)車輛的接地設(shè)計(jì)

車輛良好的接地設(shè)計(jì)是解決電容兼容問題有效的措施.如圖4 所示，車輛常用的接地可分為單點(diǎn)接地(a)(b)、多點(diǎn)接地(c)和浮點(diǎn)接地(d).

單點(diǎn)接地的缺點(diǎn)是接地導(dǎo)線太長(zhǎng)，當(dāng)頻率升高時(shí)增加了地阻抗，容易產(chǎn)生共地阻抗干擾. 所以當(dāng)頻率小于1MHz 時(shí)，使用單點(diǎn)接地;當(dāng)頻率大于10MHz 時(shí)，采用多點(diǎn)接地，當(dāng)頻率在1MHz 和10MHz 之間，若接地線不超過波長(zhǎng)的1/20，采用單點(diǎn)接地.浮點(diǎn)接地是將某個(gè)系統(tǒng)完全與車體隔離，使電位懸浮，可以防止該系統(tǒng)影響其它接地設(shè)備.但是由于系統(tǒng)沒有與車體連接，會(huì)導(dǎo)致該電荷積累，當(dāng)積累的電荷超過一定程度時(shí)，該系統(tǒng)與車體間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象. 為解決這個(gè)問題，可以在設(shè)備和大地之間接一個(gè)大阻值的泄放電阻，以消除靜電積累的影響.

(2)車輛動(dòng)力系統(tǒng)的接地

對(duì)于電動(dòng)汽車而言，地就是車體.動(dòng)力系統(tǒng)在額定工作狀態(tài)下為高電壓大電流，出于對(duì)低壓元器件的保護(hù)，尤其是人身安全考慮，動(dòng)力系統(tǒng)的主電路采用浮地的方式.

車用DC/AC 逆變器的控制電路與其它傳統(tǒng)的車載零部件一樣，供電電壓為12V，所以就近連接到車體上的接地點(diǎn). 以車體作為電流回源路徑，如圖5 所示.

圖8 增加緩沖電路前后的電路圖

(3)驅(qū)動(dòng)電路電源地線回路

DC/AC 逆變器驅(qū)動(dòng)電路的以IGBT 作為開關(guān)元件，如果驅(qū)動(dòng)電路中的上三個(gè)橋臂和下三個(gè)橋臂分別共用一個(gè)電源，則會(huì)存在公共阻抗耦合問題，如圖6(a)所示.以上橋臂為例，上橋臂三個(gè)柵極電壓均受到三個(gè)柵極電流影響，離電源最遠(yuǎn)處的所受最為嚴(yán)重.另外，地線回流路徑由于主電路回路存在的分布電感，在IGBT 開通和關(guān)斷暫態(tài)過程中具有很高的di/dt，此時(shí)主電流回路上產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，該電壓可出現(xiàn)在器件的柵極上導(dǎo)致本來應(yīng)偏置截止的器件可能導(dǎo)通［4］. 解決措施如圖6(b)所示，將每個(gè)IGBT 使用獨(dú)立電源供電，不僅可以降低公共電阻耦合和公共電感耦合，同時(shí)電源回路面積得到有效控制，從而抑制環(huán)路引起的輻射發(fā)射.另外，在IGBT 電源端加入解耦電容也能達(dá)到抑制噪聲的作用.

圖9 加緩沖電路前后Uc 仿真圖

2 緩沖電路

IGBT 動(dòng)作時(shí)兩端會(huì)存在電壓尖峰信號(hào)，利用線性疊加的方法可將其分解為一個(gè)方波信號(hào)和一個(gè)過沖信號(hào)，通過傅里葉分析可以發(fā)現(xiàn)，方波信號(hào)在高頻段時(shí)的頻譜很小，因此高頻段的頻譜主要由過沖信號(hào)的頻譜而決定［5］. 因此可設(shè)計(jì)緩沖電路來吸收抑制開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的過沖信號(hào).緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路(吸收器件關(guān)斷過程中的過電壓和換向過電壓，抑制du/dt)和開通緩沖電路(用于抑制器件開通過程的過電流和di/dt)，減小損耗.

如圖7 所示的是IGBT 回路中常用的幾種吸收電路類型，可用于抑制由于寄生電感在直流母線上的作用而產(chǎn)生的二極管恢復(fù)浪涌電壓和關(guān)斷浪涌電壓.

本文以A 相上橋臂為例進(jìn)行仿真，采用的是D型緩沖電路.增加緩沖電路前后的電路圖如圖8 所示.

當(dāng)IGBT 關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流將會(huì)經(jīng)二極管D 向電容C 進(jìn)行充電，因此IGBT 的漏極電流將會(huì)逐漸減小，由于電容C 上的電壓不能躍變，IGBT 漏極和源極兩端的電壓變化率將會(huì)受到限制，電容C 越大，電壓的變化率就越小，從而可以減小共模干擾漏電流［6］.緩沖電容的大小可以根據(jù)式(4)或功率器件應(yīng)用手冊(cè)的推薦值來選擇:

其中，Ls為主電路電感，主要是沒有續(xù)流時(shí)的雜散電容;Upk為上最大充電電壓;Uoc為電源電壓;Io為負(fù)載電流.電路中的電阻Rs要合理選擇.當(dāng)Rs過大時(shí)，放電時(shí)間RsCs過長(zhǎng)，電容Cs上的電量不能完全放掉.但Rs太小時(shí)，在IGBT 導(dǎo)通時(shí)，RsCs放電電流過大、過快，可能危及器件的安全，甚至?xí)鹫袷?電阻選擇參考下面的公式［7］:

緩沖二極管在IGBT 關(guān)斷時(shí)形成的正向壓降降低將會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓;同時(shí)，其逆向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)短將會(huì)直接影響到吸收電路響應(yīng)的開關(guān)損耗. 因此，二極管應(yīng)具有渡正向電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短及逆向恢復(fù)特性較軟等特點(diǎn)，其中快恢復(fù)二極管可鉗位瞬變電壓，抑制諧振的發(fā)生. 當(dāng)電源電壓為330V 時(shí)，加緩沖電路前后的漏極的電壓UC 仿真波形如圖9(a)、(b)所示:

可見:加緩沖電路前，漏極電壓UC 最大值超過360V，加緩沖電路后，漏極電壓UC 最大值不到340V，IGBT 開關(guān)動(dòng)作時(shí)電壓變化率得到了有效的緩沖，達(dá)到了削減漏電流，抑制共模干擾的目的.

3 小 結(jié)

本文主要針對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的EMI問題，設(shè)計(jì)了幾種抑制措施. 包括機(jī)械結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如接地、屏蔽等，以及硬件電路上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如設(shè)計(jì)合適的緩沖電路，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證其可行性.均有效抑制了交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁噪聲.

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