電動汽車用逆變器的電磁兼容性設計

1.引言

近年來，國內外電動汽車的研制取得了長足的發(fā)展。與燃油汽車相比，電動汽車具有低噪聲，零排放，綜合利用能源等突出的優(yōu)點，成為當今汽車工業(yè)解決能源，環(huán)保等問題的重要途徑。電機及其控制系統是電動汽車的關鍵技術之一，而車用逆變器則是其核心。由于電動汽車運行環(huán)境的復雜性，逆變器處在大量的干擾之中。因此，為使逆變器穩(wěn)定工作，其電磁兼容性設計就顯得十分重要。本文先對車用逆變器所處的電磁環(huán)境進行分析，然后從控制電路和主電路兩個方面介紹了如何對車用逆變器進行電磁兼容性設計。重點對吸收電路的設計進行了介紹。

對車用逆變器進行電磁兼容性設計之前，必須分析預期的電磁環(huán)境，并從電磁騷擾源，耦合途徑和敏感設備入手，找出其所處系統中存在的電磁騷擾。然后有針對性地采取措施，就可以消除或抑制電磁干擾。逆變器所處電磁環(huán)境中存在的電磁騷擾源主要有：1）高頻開關器件快速通斷形成大脈沖電流而引起的電磁干擾；2）供電電源的負載突變；3）系統內部及其周圍的強電元件造成的強電干擾；4）電機電樞傳輸線與其它傳輸線間的電容性耦合和電感性耦合引起的干擾；5）由連續(xù)波干擾源等造成的空間輻射干擾。

逆變器中各個電子部件、元器件都可能成為被干擾的敏感受擾設備。當干擾信號電平低于系統門坎電平時，不會對系統造成危害。但若高于低限門坎電平時，就可能導致電子器件的誤觸發(fā)，對系統產生干擾。干擾信號可以通過多種途徑從騷擾源耦合到敏感受擾設備上，主要有4種方式：1）傳導耦合；2）公共阻抗耦合； 3）感應耦合；4）輻射耦合。

在電機控制系統中，功率模塊在開關過程中出現高壓切換難以避免，同時電機定子電壓呈脈沖狀態(tài)，du/dt的值很高，電機定子電流du/dt在開關切換時也很大，因此，通過感應耦合和輻射耦合傳輸的干擾最為嚴重。

2.車用逆變器控制電路的電磁兼容性設計

車用逆變器的控制電路由控制板和驅動板組成?？刂瓢宓闹饕饔檬墙邮苌衔粰C的給定指令，經高速數字運算產生功率模塊的驅動控制信號，并對來自驅動板的反饋信號進行處理。驅動板的主要作用是接受來自控制板的功率模塊驅動控制信號，經功率驅動電路控制功率模塊導通或關斷，同時將輸入電壓，輸入電流，輸出三相電流和溫度等反饋信號經放大及濾波等環(huán)節(jié)后送給控制板進行處理。

2.1 控制電源的抗干擾設計

控制電源的穩(wěn)定性對控制電路的穩(wěn)定工作至關重要。逆變器的控制電路共有3種電源：＋12V給模擬信號供電；＋5V給數字信號供電；＋15V給運算放大器供電?？刂齐娫吹碾姶偶嫒菪栽O計主要采取了以下幾種措施：1）盡可能地縮短輸入輸出連線，并相互絞合，以減小“天線”效應；2）盡可能地縮短電源輸出端與負載間的距離，并增大連接導線的截面積，以減小連接電阻對負載調整率的影響；3）在控制電源進線接電源濾波器，此濾波器采用了雙L型濾波，可有效減小由電源進線引入的傳導干擾；4）在模塊電源輸入端安裝維持電容，其作用是防止在模塊出現輸入短路故障或其它導致輸入母線電壓瞬間跌落的意外時，維持電容可在一定時間內給模塊提供維持電壓，另外，還可吸收模塊輸入端的電壓尖峰；5）由于電源及其輸出配電線都會有一定的輸出電阻和輸出電感存在，因此，在高速的模擬電路和數字電路的負載上并聯去耦電容；同時在負載上還并聯旁路電容，以獲得對中頻和高頻干擾信號的旁路作用，從而防止多個負載之間的相互干擾。

2.2 控制電路PCB線路設計

控制電路的印刷電路板（PCB）上有各種不同功能的電路，如模擬電路，數字電路，放大電路等，不同的電路相互之間存在電磁干擾。同時，印制線的電感成分產生的噪聲電壓也不容忽視。因此，PCB線路的合理設計可以有效地抑制電磁干擾，提高系統的可靠性。控制電路PCB的線路設計應遵循以下原則：1）根據電路功能要求，按功率大小，信號強弱與性質等因素，進行分區(qū)布置，以削弱它們之間的相互干擾；2）本著減小導線的引線電感和導線間分布電容的原則，盡量減小導線的平行布線；3）在考慮安全的條件下，電源線應盡可能靠近地線，并遠離信號線，以減小差模輻射的環(huán)面積，也有助于減小電路的交擾；4）信號線盡量靠近地線，信號線之間布線垂直，并遠離大電流信號線及電源線；5）模擬地、數字地、電源地等各自分開走，自成系統，然后輻射狀地匯集到一個公共接地點。

2.3 控制電路的接地設計

接地設計有兩個基本目的：消除各支路電流流經公共地線時所產生的噪聲電壓；避免受磁場和地電位差的影響，形成地環(huán)路。為達到以上目的，逆變器控制電路的接地設計中采取了以下幾項措施：1）地線分流，主要是通過結構措施減少公共地阻抗造成的信號串擾，根據地線分流原則，將強電地線和弱電地線分線，數字電路地線和模擬電路地線分線，安全地、信號地和噪聲地分線。2）阻隔地環(huán)流，主要是通過布局來減小交變磁場的感應，輻射所造成的干擾，這里采用光電隔離來阻隔地環(huán)流；3）金屬構件（如機箱，散熱器等）與大地直接相連，以防止觸電事故，外界電磁場的干擾以及靜電等；4）直流電源的反饋線和回線應當絞和起來，以防止其接受并且重新輻射外來的射頻能量；5）靈活采用單點和多點接地

2.4 控制電路的屏蔽設計

根據屏蔽體對電磁波的衰減機理，屏蔽效果主要由穿過屏蔽材料的衰耗決定。而穿過屏蔽材料的衰耗則由屏蔽材料的厚度以及材料的電導率和磁導率共同決定。經綜合考慮，采用2mm厚的鋼板制成控制器的封閉式機箱，驅動板和控制板與功率模塊平行放置，中間加鋁板隔離。機箱起到屏蔽體的作用，經測試，其屏蔽效能在100dB以上。機箱通過散熱器可靠接地，使得屏蔽體同時具有靜電屏蔽和電磁屏蔽的作用，確保逆變器周圍的靜電場能量，直流磁場能量，50Hz低頻磁場能量不侵入控制電路中，同時，控制電路中產生的高頻電磁場能量不擴散出去。此外，制約整體屏蔽效能的主要因素是屏蔽體上的縫隙及孔洞等結構不連續(xù)性。因此，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電橡膠條作為導電襯墊，從而有效保證了屏蔽的完整性。

3 車用逆變器主電路的電磁兼容性設計

車用逆變器主電路主要由功率模塊，功率母線，濾波電容器，吸收電容和接觸器等組成。與通用逆變器相比，逆變器的輸出功率較大，而且在安裝空間、重量等方面都有限制。因此，對逆變器主電路的電磁兼容性作了詳細的設計。

3.1 功率母線設計

在功率模塊的開關過程中，浪涌電壓的出現在所難免。主要有關斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復浪涌電壓。浪涌電壓會導致很高的瞬態(tài)電壓，從而可能導致功率模塊的損壞。浪涌電壓的能量與LsIC2成比例（Ls是母線的寄生電感，IC是模塊工作電流）。在使用大電流器件時，為了降低浪涌電壓的影響，需要降低功率電路的電感。這就需要一種特殊的母線結構來適應大電流工作的低母線電感電路。因此，我們采用雙層鍍錫銅板疊加技術。這種平板式結構起到了防止功率電路中寄生電感的作用。同時，為了使母線電感盡量達到最小，寬平正、負母線極板把功率模塊與濾波電容器直接連接。其布局如圖1所示。

3.2 濾波電容器設計

大功率驅動電路需要電感量極低的濾波電路。根據設計計算，如果要把功率模塊兩端的過電壓限制在100V以內，其直流母線的電感應限制在12.7nH以下，濾波電路才能很好地發(fā)揮作用。因此，在車用逆變器的母線輸入端，設置了濾波電容器。該濾波電容器由四個1500μF/450V的電解電容并聯構成，通過電容支架固定，與功率模塊平行布置，電容器的正負極直接與輸入輸出母線相連。其布局如圖1所示。

3.3 吸收電路設計

電壓控制型功率模塊工作頻率很高，很小的線路電感就可能引起很高的尖峰電壓，因而，其吸收電路功能側重于對開關過程中過電壓的吸收。吸收電路通過限壓，限流，抑制di/dt和dv/dt，把部分開關損耗從器件內部轉移到吸收電路中，并最終在吸收電阻中消耗或者反饋到電源系統中去。電壓控制型功率模塊電路的橋式應用有三種常用的吸收電路結構，吸收電容的計算主要是依據能量守恒定律，即主電路關斷時不能續(xù)流釋放的那部分能量都轉換成為的電場能量。因而有 LMIC2=CsΔV22式中：LM為主電路電感，不包括續(xù)流的雜散電感； IC為工作電流；Cs為吸收電容； ΔV2是吸收電壓峰值。 通過相關計算，吸收電容Cs取3.0μF較為合適。同時，與吸收電路相關的設計有：吸收電容量與IC的平方成正比，必須對功率模塊的逆變電流采取限流措施；吸收電容量與ΔV2的平方成反比，因此，采用耐壓高的功率模塊，可大大減少吸收電容量。

3.4 功率模塊的電磁兼容性設計

3.4.1 功率模塊的優(yōu)化布局

逆變器主電路在空間產生的磁場強度隨輸入輸出母線中通過電流的強弱而變化，同時，功率模塊產生的空間交變電磁場強度隨其兩端電壓和電流突變的劇烈程度而變化。這些干擾信號很容易耦合到功率模塊的驅動線上。通過合理的布局，可以使在功率驅動端附近和驅動線一帶的空間交變電磁場強度最小，也即干擾信號最小。設計中采取以下措施：1）從濾波電容到功率模塊的直流連接件采用雙層鍍錫銅板疊加技術；2）輸入輸出母線與外部直流輸入端和外部交流輸出端采用銅條連接。這種結構不僅可以減小寄生電感，而且對于功率模塊產生的空間交變電磁場起到了很好的屏蔽作用。3.4.2 功率模塊的接地設計 當功率模塊的柵極驅動或控制信號與主電流共用一個電流路徑時會導致接地回路。在開關過渡過程中，由于主電流具有很高的di/dt，使功率電路漏電感上有感應電壓存在。一旦這種情況發(fā)生，電路中應該為“地”電位的各點實際上會處于高于“地電位”幾伏的電位上。這個電壓會出現在器件的柵極，本來偏置截止的器件就有可能導通。為了避免這個問題的發(fā)生，需要慎重考慮柵極驅動與控制電路的設計。這里采取了兩種措施：1）下橋臂每個柵極驅動電路都采用了分離絕緣措施，且各自的電源零線接在功率模塊的輔助端子上，不與主電流共用電流支路，以消除接地回路噪聲問題； 2）在功率關斷期間，使用了負的反向偏置電壓，以避免噪聲干擾。

4 結語

經過電磁兼容性設計的車用逆變器，已裝車運行，性能良好，從而證明該設計是合理可行的。通過該逆變器的設計，可以得到以下結論：1）車用逆變器所處的電磁環(huán)境十分復雜，帶來很多電磁干擾，良好的電磁兼容性設計是該裝置順利可靠運行的關鍵；2）吸收電路設計是車用逆變器的電磁兼容設計的難點，由于在功率母線的設計中采用了獨特的雙層鍍錫銅板疊加技術，母線電感足夠小，吸收電路只需簡單的無感電容即可；3）在設備或系統設計的初始階段，應同時進行電磁兼容設計，把電磁兼容的大部分問題解決在設計定型之前，可得到最高的效費比。