引  言

電機驅動系統(tǒng)作為電動汽車的動力來源及將電能轉換為機械能的關鍵設備，在電力轉換的過程中會產(chǎn)生大量的傳導及輻射騷擾信號，是電動汽車EMC問題的主要零部件之一。
由于監(jiān)管機構的強制要求及各車廠出于提高自身競爭力的考慮，目前設計人員已對電動汽車的EMC問題做了較多的研究，相關的國家標準也日益為人們所熟知。

其中GB/T18655—2018《車輛、船和內燃機無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法》是零部件廠商應用最為廣泛的EMC標準之一，該標準在新修訂的內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的逆變器。

但該標準未限定測試中電機及控制器應處于的工作狀態(tài)，根據(jù)文獻的研究，不同工作狀態(tài)下電機驅動系統(tǒng)的傳導及發(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驅動系統(tǒng)的EMC標準GB/T36282—2018《電動汽車用驅動電機系統(tǒng)電磁兼容性要求和試驗方法》，此標準從整車應用的角度出發(fā)，對電機驅動系統(tǒng)的輻射騷擾限值、輻射抗擾及傳導抗擾、靜電放電抗擾都做了全面的要求，是電機驅動系統(tǒng)較為全面的EMC標準，該標準還對測試時電機驅動系統(tǒng)應處于的工作狀態(tài)做了明確要求，得到了認可和廣泛應用。

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

1  電機驅動系統(tǒng)EMC影響因素分析

電機驅動系統(tǒng)包括電機及逆變器，逆變器將蓄電池提供的高壓直流電轉換為三相交變電源，驅動電機運行，系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。



1.1  騷擾來源

電機驅動系統(tǒng)的逆變器部分包含動力電轉換單元及低壓轉換電源，這兩部分電路分別會產(chǎn)生不同頻次及幅值的騷擾信號，是電機驅動系統(tǒng)主要的騷擾信號來源。

圖1中S1～S6為半導體開關，通常為IGBT或MOSFET器件，其工作頻率一般在10kHz至50kHz之間，開關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過程產(chǎn)生的高頻紋波電流。開關頻率通常不在標準考核的傳導及輻射騷擾頻段以內，但由于連接通路上寄生參數(shù)的存在，開關過程中會產(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，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驗測試到的IGBT模塊關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)，并可能通過驅動電路傳導至低壓電路部分。圖2中還包含開關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。

低壓電源轉換電路及晶振電路也是騷擾產(chǎn)生的源頭，GB/T36282—2018標準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，低壓電源轉換電路多數(shù)均使用開關電源，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，開關頻率約為500kHz左右，是傳導騷擾及部分標準中輻射騷擾關注的低頻段區(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，控制器調制方式引起的電機等效中性點對地的共模電壓，也是電機驅動系統(tǒng)中固有的騷擾來源。

1.2  傳播路徑

傳導騷擾信號可以分為差模信號和共模信號，功率開關過程及低壓電源轉換電路產(chǎn)生的干擾同時包含差模和共模，而調制方式導致的電機中性點電壓跳變，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為定子繞組對電機軸及殼體的分布電容。




2  電機驅動系統(tǒng)EMC設計要點

根據(jù)上一節(jié)對騷擾發(fā)生源及傳播路徑的分析，電機驅動系統(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：

（1）通過高壓直流線纜對其他用電零部件的傳導騷擾。

（2）通過低壓信號線纜對其他用電零部件的傳導騷擾。

（3）通過電機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。

以上也是各標準對汽車零部件EMI重點考核的項目，包括傳導騷擾測試及發(fā)射騷擾測試，因而控制器及電機設計中主要的應對措施有：

（1）電機控制器的高壓直流線纜輸入端，應設置合適的濾波器，通常采用CLC結構。該濾波器可以阻擋電機控制器內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及輻射騷擾。

（2）電機控制器低壓對外線束應設置整體的共模濾波器，以表面?zhèn)鲗}擾信號通過低壓線束向外傳播，形成傳導及輻射騷擾，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）高低壓部分在電機控制器內部應設置空間隔離，以避免干擾信號在內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，且連接設備的兩端均需要與接線端子做完全屏蔽連接，因為高壓線纜上存在高頻信號，若不屏蔽易形成輻射騷擾，尤其在線纜較長的情況下。

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

（6）電機定子繞組對軸的寄生參數(shù)，在設計中應盡量減小，以降低共模電流。

3  測試案例

針對一套額定功率為60kW的電機驅動系統(tǒng)，根據(jù)以上設計要點進行設計。并按照GB/T36282的標準進行了摸底實驗，系統(tǒng)參數(shù)如下：直流電壓：540V；額定電流：160A；額定轉速：4000rpm；額定轉矩：145N·m。

主要進行的項目為寬帶發(fā)射試驗，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殼良好連接。


由于實驗室資源限制，測試過程中未采用標準建議的扭矩運行，電機運行于額定轉速的一半，空載模式。測試結果如圖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

本文通過對電機驅動系統(tǒng)EMC干擾來源及傳播路徑的分析，提出若干在電機驅動系統(tǒng)設計中針對EMC問題應注意的設計要點，通過對實際設計樣機的摸底測試，符合標準要求，驗證了設計要點的有效性。