電動(dòng)汽車用逆變器的電磁兼容性設(shè)計(jì)

1.引言

近年來，國內(nèi)外電動(dòng)汽車的研制取得了長足的發(fā)展。與燃油汽車相比，電動(dòng)汽車具有低噪聲，零排放，綜合利用能源等突出的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今汽車工業(yè)解決能源，環(huán)保等問題的重要途徑。電機(jī)及其控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，而車用逆變器則是其核心。由于電動(dòng)汽車運(yùn)行環(huán)境的復(fù)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(shè)計(jì)就顯得十分重要。本文先對(duì)車用逆變器所處的電磁環(huán)境進(jìn)行分析，然后從控制電路和主電路兩個(gè)方面介紹了如何對(duì)車用逆變器進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)。重點(diǎn)對(duì)吸收電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。

對(duì)車用逆變器進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)之前，必須分析預(yù)期的電磁環(huán)境，并從電磁騷擾源，耦合途徑和敏感設(shè)備入手，找出其所處系統(tǒng)中存在的電磁騷擾。然后有針對(duì)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(guān)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(fù)載突變；3）系統(tǒng)內(nèi)部及其周圍的強(qiáng)電元件造成的強(qiáng)電干擾；4）電機(jī)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(gè)電子部件、元器件都可能成為被干擾的敏感受擾設(shè)備。當(dāng)干擾信號(hào)電平低于系統(tǒng)門坎電平時(shí)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危害。但若高于低限門坎電平時(shí)，就可能導(dǎo)致電子器件的誤觸發(fā)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。干擾信號(hào)可以通過多種途徑從騷擾源耦合到敏感受擾設(shè)備上，主要有4種方式：1）傳導(dǎo)耦合；2）公共阻抗耦合； 3）感應(yīng)耦合；4）輻射耦合。

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，功率模塊在開關(guān)過程中出現(xiàn)高壓切換難以避免，同時(shí)電機(jī)定子電壓呈脈沖狀態(tài)，du/dt的值很高，電機(jī)定子電流du/dt在開關(guān)切換時(shí)也很大，因此，通過感應(yīng)耦合和輻射耦合傳輸?shù)母蓴_最為嚴(yán)重。

2.車用逆變器控制電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)

車用逆變器的控制電路由控制板和驅(qū)動(dòng)板組成?？刂瓢宓闹饕饔檬墙邮苌衔粰C(jī)的給定指令，經(jīng)高速數(shù)字運(yùn)算產(chǎn)生功率模塊的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，并對(duì)來自驅(qū)動(dòng)板的反饋信號(hào)進(jìn)行處理。驅(qū)動(dòng)板的主要作用是接受來自控制板的功率模塊驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路控制功率模塊導(dǎo)通或關(guān)斷，同時(shí)將輸入電壓，輸入電流，輸出三相電流和溫度等反饋信號(hào)經(jīng)放大及濾波等環(huán)節(jié)后送給控制板進(jìn)行處理。

2.1 控制電源的抗干擾設(shè)計(jì)

控制電源的穩(wěn)定性對(duì)控制電路的穩(wěn)定工作至關(guān)重要。逆變器的控制電路共有3種電源：＋12V給模擬信號(hào)供電；＋5V給數(shù)字信號(hào)供電；＋15V給運(yùn)算放大器供電?？刂齐娫吹碾姶偶嫒菪栽O(shè)計(jì)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(yīng)；2）盡可能地縮短電源輸出端與負(fù)載間的距離，并增大連接導(dǎo)線的截面積，以減小連接電阻對(duì)負(fù)載調(diào)整率的影響；3）在控制電源進(jìn)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(jìn)線引入的傳導(dǎo)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(xiàn)輸入短路故障或其它導(dǎo)致輸入母線電壓瞬間跌落的意外時(shí)，維持電容可在一定時(shí)間內(nèi)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(huì)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(shù)字電路的負(fù)載上并聯(lián)去耦電容；同時(shí)在負(fù)載上還并聯(lián)旁路電容，以獲得對(duì)中頻和高頻干擾信號(hào)的旁路作用，從而防止多個(gè)負(fù)載之間的相互干擾。

2.2 控制電路PCB線路設(shè)計(jì)

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(shù)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(shí)，印制線的電感成分產(chǎn)生的噪聲電壓也不容忽視。因此，PCB線路的合理設(shè)計(jì)可以有效地抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。控制電路PCB的線路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：1）根據(jù)電路功能要求，按功率大小，信號(hào)強(qiáng)弱與性質(zhì)等因素，進(jìn)行分區(qū)布置，以削弱它們之間的相互干擾；2）本著減小導(dǎo)線的引線電感和導(dǎo)線間分布電容的原則，盡量減小導(dǎo)線的平行布線；3）在考慮安全的條件下，電源線應(yīng)盡可能靠近地線，并遠(yuǎn)離信號(hào)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(hào)線盡量靠近地線，信號(hào)線之間布線垂直，并遠(yuǎn)離大電流信號(hào)線及電源線；5）模擬地、數(shù)字地、電源地等各自分開走，自成系統(tǒng)，然后輻射狀地匯集到一個(gè)公共接地點(diǎn)。

2.3 控制電路的接地設(shè)計(jì)

接地設(shè)計(jì)有兩個(gè)基本目的：消除各支路電流流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)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(dá)到以上目的，逆變器控制電路的接地設(shè)計(jì)中采取了以下幾項(xiàng)措施：1）地線分流，主要是通過結(jié)構(gòu)措施減少公共地阻抗造成的信號(hào)串?dāng)_，根據(jù)地線分流原則，將強(qiáng)電地線和弱電地線分線，數(shù)字電路地線和模擬電路地線分線，安全地、信號(hào)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(yīng)，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(gòu)件（如機(jī)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(yīng)當(dāng)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(diǎn)和多點(diǎn)接地

2.4 控制電路的屏蔽設(shè)計(jì)

根據(jù)屏蔽體對(duì)電磁波的衰減機(jī)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(dǎo)率和磁導(dǎo)率共同決定。經(jīng)綜合考慮，采用2mm厚的鋼板制成控制器的封閉式機(jī)箱，驅(qū)動(dòng)板和控制板與功率模塊平行放置，中間加鋁板隔離。機(jī)箱起到屏蔽體的作用，經(jīng)測試，其屏蔽效能在100dB以上。機(jī)箱通過散熱器可靠接地，使得屏蔽體同時(shí)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(shí)，控制電路中產(chǎn)生的高頻電磁場能量不擴(kuò)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(jié)構(gòu)不連續(xù)性。因此，在機(jī)箱的永久性接縫處采用焊接工藝密封；在機(jī)箱的非永久性接縫處加入實(shí)心導(dǎo)電橡膠條作為導(dǎo)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(shè)計(jì)

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(duì)逆變器主電路的電磁兼容性作了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

3.1 功率母線設(shè)計(jì)

在功率模塊的開關(guān)過程中，浪涌電壓的出現(xiàn)在所難免。主要有關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓。浪涌電壓會(huì)導(dǎo)致很高的瞬態(tài)電壓，從而可能導(dǎo)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(shí)，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(jié)構(gòu)來適應(yīng)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(shù)。這種平板式結(jié)構(gòu)起到了防止功率電路中寄生電感的作用。同時(shí)，為了使母線電感盡量達(dá)到最小，寬平正、負(fù)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(shè)計(jì)

大功率驅(qū)動(dòng)電路需要電感量極低的濾波電路。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，如果要把功率模塊兩端的過電壓限制在100V以內(nèi)，其直流母線的電感應(yīng)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(shè)置了濾波電容器。該濾波電容器由四個(gè)1500μF/450V的電解電容并聯(lián)構(gòu)成，通過電容支架固定，與功率模塊平行布置，電容器的正負(fù)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(shè)計(jì)

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(cè)重于對(duì)開關(guān)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(guān)損耗從器件內(nèi)部轉(zhuǎn)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(tǒng)中去。電壓控制型功率模塊電路的橋式應(yīng)用有三種常用的吸收電路結(jié)構(gòu)，吸收電容的計(jì)算主要是依據(jù)能量守恒定律，即主電路關(guān)斷時(shí)不能續(xù)流釋放的那部分能量都轉(zhuǎn)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(guān)計(jì)算，吸收電容Cs取3.0μF較為合適。同時(shí)，與吸收電路相關(guān)的設(shè)計(jì)有：吸收電容量與IC的平方成正比，必須對(duì)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(shè)計(jì)

3.4.1 功率模塊的優(yōu)化布局

逆變器主電路在空間產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度隨輸入輸出母線中通過電流的強(qiáng)弱而變化，同時(shí)，功率模塊產(chǎn)生的空間交變電磁場強(qiáng)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(hào)很容易耦合到功率模塊的驅(qū)動(dòng)線上。通過合理的布局，可以使在功率驅(qū)動(dòng)端附近和驅(qū)動(dòng)線一帶的空間交變電磁場強(qiáng)度最小，也即干擾信號(hào)最小。設(shè)計(jì)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(shù)；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(jié)構(gòu)不僅可以減小寄生電感，而且對(duì)于功率模塊產(chǎn)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(shè)計(jì) 當(dāng)功率模塊的柵極驅(qū)動(dòng)或控制信號(hào)與主電流共用一個(gè)電流路徑時(shí)會(huì)導(dǎo)致接地回路。在開關(guān)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(yīng)電壓存在。一旦這種情況發(fā)生，電路中應(yīng)該為“地”電位的各點(diǎn)實(shí)際上會(huì)處于高于“地電位”幾伏的電位上。這個(gè)電壓會(huì)出現(xiàn)在器件的柵極，本來偏置截止的器件就有可能導(dǎo)通。為了避免這個(gè)問題的發(fā)生，需要慎重考慮柵極驅(qū)動(dòng)與控制電路的設(shè)計(jì)。這里采取了兩種措施：1）下橋臂每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)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(guān)斷期間，使用了負(fù)的反向偏置電壓，以避免噪聲干擾。

4 結(jié)語

經(jīng)過電磁兼容性設(shè)計(jì)的車用逆變器，已裝車運(yùn)行，性能良好，從而證明該設(shè)計(jì)是合理可行的。通過該逆變器的設(shè)計(jì)，可以得到以下結(jié)論：1）車用逆變器所處的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，帶來很多電磁干擾，良好的電磁兼容性設(shè)計(jì)是該裝置順利可靠運(yùn)行的關(guān)鍵；2）吸收電路設(shè)計(jì)是車用逆變器的電磁兼容設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，由于在功率母線的設(shè)計(jì)中采用了獨(dú)特的雙層鍍錫銅板疊加技術(shù)，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(shè)備或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，把電磁兼容的大部分問題解決在設(shè)計(jì)定型之前，可得到最高的效費(fèi)比。