电动汽车用逆变器的电磁兼容性(EMC)设计

pwm · 发表于 2007-12-16 21:33:35

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电动汽车用逆变器的电磁兼容性设计 段瑞昌，徐国卿 <blockquote>(同济大学电气工程系，上海    200333)</blockquote><blockquote />1    引言     近年来，国内外电动汽车的研制取得了长足的发展。与燃油汽车相比，电动汽车具有低噪声，零排放，综合利用能源等突出的优点，成为当今汽车工业解决能源，环保等问题的重要途径。电机及其控制系统是电动汽车的关键技术之一，而车用逆变器则是其核心。由于电动汽车运行环境的复杂性，逆变器处在大量的干扰之中。因此，为使逆变器稳定工作，其电磁兼容性设计就显得十分重要。本文先对车用逆变器所处的电磁环境进行分析，然后从控制电路和主电路两个方面介绍了如何对车用逆变器进行电磁兼容性设计。重点对吸收电路的设计进行了介绍。     对车用逆变器进行电磁兼容性设计之前，必须分析预期的电磁环境，并从电磁骚扰源，耦合途径和敏感设备入手，找出其所处系统中存在的电磁骚扰。然后有针对性地采取措施，就可以消除或抑制电磁干扰。逆变器所处电磁环境中存在的电磁骚扰源主要有：     1）高频开关器件快速通断形成大脉冲电流而引起的电磁干扰；     2）供电电源的负载突变；     3）系统内部及其周围的强电元件造成的强电干扰；     4）电机电枢传输线与其它传输线间的电容性耦合和电感性耦合引起的干扰；     5）由连续波干扰源等造成的空间辐射干扰。     逆变器中各个电子部件、元器件都可能成为被干扰的敏感受扰设备。当干扰信号电平低于系统门坎电平时，不会对系统造成危害。但若高于低限门坎电平时，就可能导致电子器件的误触发，对系统产生干扰。干扰信号可以通过多种途径从骚扰源耦合到敏感受扰设备上，主要有4种方式：     1）传导耦合；     2）公共阻抗耦合；     3）感应耦合；     4）辐射耦合。     在电机控制系统中，功率模块在开关过程中出现高压切换难以避免，同时电机定子电压呈脉冲状态，du/dt的值很高，电机定子电流du/dt在开关切换时也很大，因此，通过感应耦合和辐射耦合传输的干扰最为严重。 2    车用逆变器控制电路的电磁兼容性设计     车用逆变器的控制电路由控制板和驱动板组成。控制板的主要作用是接受上位机的给定指令，经高速数字运算产生功率模块的驱动控制信号，并对来自驱动板的反馈信号进行处理。驱动板的主要作用是接受来自控制板的功率模块驱动控制信号，经功率驱动电路控制功率模块导通或关断，同时将输入电压，输入电流，输出三相电流和温度等反馈信号经放大及滤波等环节后送给控制板进行处理。 2.1    控制电源的抗干扰设计     控制电源的稳定性对控制电路的稳定工作至关重要。逆变器的控制电路共有3种电源：＋12V给模拟信号供电；＋5V给数字信号供电；＋15V给运算放大器供电。控制电源的电磁兼容性设计主要采取了以下几种措施：     1）尽可能地缩短输入输出连线，并相互绞合，以减小“天线”效应；     2）尽可能地缩短电源输出端与负载间的距离，并增大连接导线的截面积，以减小连接电阻对负载调整率的影响；     3）在控制电源进线接电源滤波器，此滤波器采用了双L型滤波，可有效减小由电源进线引入的传导干扰；     4）在模块电源输入端安装维持电容，其作用是防止在模块出现输入短路故障或其它导致输入母线电压瞬间跌落的意外时，维持电容可在一定时间内给模块提供维持电压，另外，还可吸收模块输入端的电压尖峰；     5）由于电源及其输出配电线都会有一定的输出电阻和输出电感存在，因此，在高速的模拟电路和数字电路的负载上并联去耦电容；同时在负载上还并联旁路电容，以获得对中频和高频干扰信号的旁路作用，从而防止多个负载之间的相互干扰。 2.2    控制电路PCB线路设计     控制电路的印刷电路板（PCB）上有各种不同功能的电路，如模拟电路，数字电路，放大电路等，不同的电路相互之间存在电磁干扰。同时，印制线的电感成分产生的噪声电压也不容忽视。因此，PCB线路的合理设计可以有效地抑制电磁干扰，提高系统的可靠性。控制电路PCB的线路设计应遵循以下原则：     1）根据电路功能要求，按功率大小，信号强弱与性质等因素，进行分区布置，以削弱它们之间的相互干扰；     2）本着减小导线的引线电感和导线间分布电容的原则，尽量减小导线的平行布线；     3）在考虑安全的条件下，电源线应尽可能靠近地线，并远离信号线，以减小差模辐射的环面积，也有助于减小电路的交扰；     4）信号线尽量靠近地线，信号线之间布线垂直，并远离大电流信号线及电源线；     5）模拟地、数字地、电源地等各自分开走，自成系统，然后辐射状地汇集到一个公共接地点。 2.3    控制电路的接地设计     接地设计有两个基本目的：消除各支路电流流经公共地线时所产生的噪声电压；避免受磁场和地电位差的影响，形成地环路。为达到以上目的，逆变器控制电路的接地设计中采取了以下几项措施：     1）地线分流，主要是通过结构措施减少公共地阻抗造成的信号串扰，根据地线分流原则，将强电地线和弱电地线分线，数字电路地线和模拟电路地线分线，安全地、信号地和噪声地分线。     2）阻隔地环流，主要是通过布局来减小交变磁场的感应，辐射所造成的干扰，这里采用光电隔离来阻隔地环流；     3）金属构件（如机箱，散热器等）与大地直接相连，以防止触电事故，外界电磁场的干扰以及静电等；     4）直流电源的反馈线和回线应当绞和起来，以防止其接受并且重新辐射外来的射频能量；     5）灵活采用单点和多点接地。 2.4    控制电路的屏蔽设计     根据屏蔽体对电磁波的衰减机理，屏蔽效果主要由穿过屏蔽材料的衰耗决定。而穿过屏蔽材料的衰耗则由屏蔽材料的厚度以及材料的电导率和磁导率共同决定。经综合考虑，采用2mm厚的钢板制成控制器的封闭式机箱，驱动板和控制板与功率模块平行放置，中间加铝板隔离。机箱起到屏蔽体的作用，经测试，其屏蔽效能在100dB以上。机箱通过散热器可靠接地，使得屏蔽体同时具有静电屏蔽和电磁屏蔽的作用，确保逆变器周围的静电场能量，直流磁场能量，50Hz低频磁场能量不侵入控制电路中，同时，控制电路中产生的高频电磁场能量不扩散出去。此外，制约整体屏蔽效能的主要因素是屏蔽体上的缝隙及孔洞等结构不连续性。因此，在机箱的永久性接缝处采用焊接工艺密封；在机箱的非永久性接缝处加入实心导电橡胶条作为导电衬垫，从而有效保证了屏蔽的完整性。 3    车用逆变器主电路的电磁兼容性设计     车用逆变器主电路主要由功率模块，功率母线，滤波电容器，吸收电容和接触器等组成。与通用逆变器相比，逆变器的输出功率较大，而且在安装空间、重量等方面都有限制。因此，对逆变器主电路的电磁兼容性作了详细的设计。 3.1    功率母线设计     在功率模块的开关过程中，浪涌电压的出现在所难免。主要有关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。浪涌电压会导致很高的瞬态电压，从而可能导致功率模块的损坏。浪涌电压的能量与<img height="20" src="http://www.dykf.com/Article/UploadFiles/200712/20071216095812635.JPG" width="11" />LsIC2成比例（Ls是母线的寄生电感，IC是模块工作电流）。在使用大电流器件时，为了降低浪涌电压的影响，需要降低功率电路的电感。这就需要一种特殊的母线结构来适应大电流工作的低母线电感电路。因此，我们采用双层镀锡铜板叠加技术。这种平板式结构起到了防止功率电路中寄生电感的作用。同时，为了使母线电感尽量达到最小，宽平正、负母线极板把功率模块与滤波电容器直接连接。其布局如图1所示。 <img height="189" src="http://www.dykf.com/Article/UploadFiles/200712/20071216095813629.gif" width="366" border="0" /> 图1    逆变器主电路结构示意图 3.2    滤波电容器设计     大功率驱动电路需要电感量极低的滤波电路。根据设计计算，如果要把功率模块两端的过电压限制在100V以内，其直流母线的电感应限制在12.7nH以下，滤波电路才能很好地发挥作用。因此，在车用逆变器的母线输入端，设置了滤波电容器。该滤波电容器由四个1500μF/450V的电解电容并联构成，通过电容支架固定，与功率模块平行布置，电容器的正负极直接与输入输出母线相连。其布局如图1所示。 3.3    吸收电路设计     电压控制型功率模块工作频率很高，很小的线路电感就可能引起很高的尖峰电压，因而，其吸收电路功能侧重于对开关过程中过电压的吸收。吸收电路通过限压，限流，抑制di/dt和dv/dt，把部分开关损耗从器件内部转移到吸收电路中，并最终在吸收电阻中消耗或者反馈到电源系统中去。电压控制型功率模块电路的桥式应用有三种常用的吸收电路结构，如图2所示。图2（a）为单电容吸收电路，可实现对功率模块开关过程中两端电压的嵌位作用。图2（b）为RCD吸收电路，其吸收功能较单电容吸收电路差，其优点是二极管可用于阻止电压振荡，吸收电容的过剩电荷通过吸收电阻逐渐放电。使用中常把图2（a）与图2（b）两种吸收电路并联使用，以增强吸收电路功能，即图2（c）的交叉嵌位式RCD吸收电路。在电动汽车电机驱动控制器的设计中，采用平板式叠层功率母线，母线电感足够小，因此，采用图2（a）的吸收电路，电容采用高频聚丙烯无感电容，既满足了设计要求，又大大简化了吸收电路的结构和安装。 <img height="156" src="http://www.dykf.com/Article/UploadFiles/200712/20071216095813372.gif" width="369" border="0" /> (a)单电容吸收电路    (b)RCD吸收电路 (c)    交叉嵌位式RCD吸收电路 图2    电压控制型吸收电路的类型     吸收电容的计算主要是依据能量守恒定律，即主电路关断时不能续流释放的那部分能量都转换成为的电场能量。因而有     <img height="20" src="http://www.dykf.com/Article/UploadFiles/200712/20071216095813221.JPG" width="11" />LMIC2=<img height="20" src="http://www.dykf.com/Article/UploadFiles/200712/20071216095814579.JPG" width="11" />CsΔV22 式中：LM为主电路电感，不包括续流的杂散电感；       IC为工作电流；       Cs为吸收电容；              ΔV2是吸收电压峰值。     通过相关计算，吸收电容Cs取3.0μF较为合适。同时，与吸收电路相关的设计有：吸收电容量与IC的平方成正比，必须对功率模块的逆变电流采取限流措施；吸收电容量与ΔV2的平方成反比，因此，采用耐压高的功率模块，可大大减少吸收电容量。吸收电容的布置如图1所示。 3.4    功率模块的电磁兼容性设计 3.4.1    功率模块的优化布局     逆变器主电路在空间产生的磁场强度随输入输出母线中通过电流的强弱而变化，同时，功率模块产生的空间交变电磁场强度随其两端电压和电流突变的剧烈程度而变化。这些干扰信号很容易耦合到功率模块的驱动线上。通过合理的布局，可以使在功率驱动端附近和驱动线一带的空间交变电磁场强度最小，也即干扰信号最小。设计中采取以下措施：     1）从滤波电容到功率模块的直流连接件采用双层镀锡铜板叠加技术；     2）输入输出母线与外部直流输入端和外部交流输出端采用铜条连接。     这种结构不仅可以减小寄生电感，而且对于功率模块产生的空间交变电磁场起到了很好的屏蔽作用。 3.4.2    功率模块的接地设计     当功率模块的栅极驱动或控制信号与主电流共用一个电流路径时会导致接地回路。在开关过渡过程中，由于主电流具有很高的di/dt，使功率电路漏电感上有感应电压存在。一旦这种情况发生，电路中应该为“地”电位的各点实际上会处于高于“地电位”几伏的电位上。这个电压会出现在器件的栅极，本来偏置截止的器件就有可能导通。为了避免这个问题的发生，需要慎重考虑栅极驱动与控制电路的设计。这里采取了两种措施：     1）下桥臂每个栅极驱动电路都采用了分离绝缘措施，且各自的电源零线接在功率模块的辅助端子上，不与主电流共用电流支路，以消除接地回路噪声问题；     2）在功率关断期间，使用了负的反向偏置电压，以避免噪声干扰。 4    结语     经过电磁兼容性设计的车用逆变器，已装车运行，性能良好，从而证明该设计是合理可行的。通过该逆变器的设计，可以得到以下结论：     1）车用逆变器所处的电磁环境十分复杂，带来很多电磁干扰，良好的电磁兼容性设计是该装置顺利可靠运行的关键；     2）吸收电路设计是车用逆变器的电磁兼容设计的难点，由于在功率母线的设计中采用了独特的双层镀锡铜板叠加技术，母线电感足够小，吸收电路只需简单的无感电容即可；     3）在设备或系统设计的初始阶段，应同时进行电磁兼容设计，把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前，可得到最高的效费比。

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