如何實現(xiàn)混合動力汽車的逆變器和電磁兼容改進設計？

國內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)門坎電平時，不會對系統(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)中，功率模塊在開關過程中出現(xiàn)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?shù)母蓴_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(qū)動板組成?？刂瓢宓闹饕饔檬墙邮苌衔粰C的給定指令，經(jīng)高速數(shù)字運算產(chǎn)生功率模塊的驅(qū)動控制信號，并對來自驅(qū)動板的反饋信號進行處理。驅(qū)動板的主要作用是接受來自控制板的功率模塊驅(qū)動控制信號，經(jīng)功率驅(qū)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(jīng)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(shù)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(diào)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(xiàn)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(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)字電路的負載上并聯(lián)去耦電容;同時在負載上還并聯(lián)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。1電磁兼容(EMC)的內(nèi)涵

1.1電磁兼容的含義及由來

顧名思義，電磁兼容就是指不同設備發(fā)射的電磁波可以相互兼容，互不影響。當今社會隨著手機，無線路由器的廣泛應用，各種無線通信技術滲透到人們的日常生活中，如GSM，CDMA，WCDMA，LTE，wifi，藍牙，GPS導航等等，還有即將到來的5G時代，可以想象，人們的生活將日益與無線通信技術緊密聯(lián)系在一起。但是你是否知道，所有的無線通信背后都不離不開一樣東西，那就是電磁波。

1888年，德國物理學家赫茲用實驗的方式證明了電磁波的客觀存在。為了紀念他，人們就用赫茲作為波動頻率的單位。電磁波的發(fā)現(xiàn)，給人們生活帶來了包括無線通信在內(nèi)的多種便利，如紅外探測，微波加熱，紫外殺菌，x光透視等等。但是電磁波也會帶來危害。比如，天氣干燥人靠近或接觸電器時，可以產(chǎn)生放電現(xiàn)象，瞬間電壓可達幾千甚至上萬伏，可能會使電器失靈;充電時，電源網(wǎng)絡的電壓波動，短時壓降，會產(chǎn)生低頻傳導干擾，也會損壞設備。另外，在戰(zhàn)爭時期，電磁武器產(chǎn)生的大功率干擾可是對方的電子及通信設備無法工作。所以，電磁兼容的概念隨著電磁波的發(fā)現(xiàn)也逐漸發(fā)展并被重視起來。

1.2電磁兼容的分類

準確來講，電磁兼容有兩方面的含義。一方面，一個設備在正常工作時，它產(chǎn)生的電磁場必須低于一定的限值，不會干擾到其他設備的正常工作，這個概念稱為電磁騷擾(EMI);另一方面，一個設備必須具備一定的抗干擾能力，口保證在其他設備正常工作產(chǎn)生的電磁場中不被干擾，這個概念稱為電磁抗擾(EMS)。

電磁兼容按照電磁波傳輸方式的不同也可以分為傳導和輻射。傳導是指在電磁波以有線的方式在線纜中傳輸，輻射則是至電磁波在空間以無線的方式進行傳輸。

根據(jù)上述分類方法，電磁兼容問題可分為傳導騷擾，輻射騷擾，傳導抗擾度，輻射抗擾度，另外電磁兼容還包括靜電放電，電壓波動，諧波閃爍，電快速脈沖群，浪涌，電壓暫降以及磁場干擾方面的研究。

2.電磁兼容測試

為了驗證設備是否具備合格的電磁兼容性，并且可重復、可比較，各主要國家或地區(qū)都設立專門機構，制定電磁兼容標準，規(guī)范測試方法、測試環(huán)境以及測試設備。目前，世界范圍內(nèi)接受程度最廣是國際電工委員會IEC制定的CISPR系列標準。下面，就來介紹一下標準中規(guī)定的幾個最常用的EMC實驗用例。

2.1 傳導騷擾

傳導騷擾指的是電流或數(shù)據(jù)在線纜中傳輸時，通過線纜，電源端口，控制端口對周圍環(huán)境產(chǎn)生的干擾。它的測試原理比較簡單，以電源端口為例。為了測到被測設備(EUT)在電源端口產(chǎn)生的騷擾，首先需要將人工電源網(wǎng)絡(AMN)連接到電源上，它可以濾除電源的雜波，并且給EUT提供穩(wěn)定的匹配阻抗。然后，將EUT的電源與之相連，同時測量騷擾的接收機也連在AMN上。為避免 EUT在上電期間產(chǎn)生大幅度的瞬態(tài)信號，從而對接收機造成損壞，還需要在AMN和接收機之間加上限幅器。對于非落地設備，像手機，電視機等EUT，測試時需要放置在80cm高，至少lmx1.5m的非導電的桌子上(一般為純木質(zhì));對于落地設備，需要放置在地面進行測試,但是在地面和EUT之間需要放置最高15cm的絕緣層。具體配置如圖1所示。

2.2 傳導抗擾度

射頻發(fā)射機產(chǎn)生的申磁場，可以通過EUT的某個或某些線纜，如申源線，信號線，控制線等，耦合到設備內(nèi)部從而產(chǎn)生干擾。傳導抗擾度就是檢驗 EUT抵抗這種干擾的能力。測試原理如圖2所示:

首先由信號發(fā)生器產(chǎn)生1kHz，80%AM調(diào)制的正弦波干擾信號，經(jīng)放大，兀配，濾波，達到標準中規(guī)定的騷擾電壓等級，通過注入設備加到 EUT 上。注入設備首選耦合/去耦合網(wǎng)絡，一般做在一個盒子里，稱為CDN。原因是CDN可以提供最好的測試可重復性，且保護輔助設備。目前有各種類型的CDN可適用于電源線，信號線等。但仍然有些情況下，CDN是不可用的，就必須用其他的注入方式，如電流鉗。測試在150k~80MHz的頻率范圍內(nèi)以1%的步進方式執(zhí)行，在每個頻點上，對 EUT的功能進行監(jiān)控。

2.3輻射騷擾

輻射騷擾的測量要比傳導騷擾復雜得多。首先是場地要求。輻射騷擾通常需要在開闊場(OATS)內(nèi)進行測試。理想的開闊場一片沒有任何電磁波阻礙的場地。如，沒有建筑物，申纜，樹木等，地下也不能有管道，線纜等物。

這樣的場地顯然是不容易找到，尤其是在經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)。所以，標準中規(guī)定了其他可替代的場地:半電波暗室和全電波暗室。半電波暗室是指除地面以外四周和頂部都安裝了吸波材料，因此除地面外其他地方幾乎沒有電磁波的反射。全電波暗室則是在半電波的基礎上，在地面也加裝了吸波材料，實際上是模擬了

只有直射波的自由空間。通常，1G以下的輻射騷擾測試在半電波暗室進行，1G以上則使用全電波暗室。

測試前，EUT及其附件按照正常工作的狀態(tài)放置在80cm高的桌子上(1G以上為1.5m高)，至少lmx1.5m，且材質(zhì)是非傳導性的。EUT 及其附件的邊緣距天線的參考點為10m(1GHz以下)和3m(1GHz以。測試時，桌子連后放置的EUT及其附件進行360度旋轉，并且在1~4m的范圍內(nèi)移動天線，以找到最大值。

2.4 輻射抗擾度

輻射抗擾度指的是將于擾信號通過天線輻射出去，在 EUT周圍的空間形成一定水平的場強，如3V/m，然后驗證EUT是否會被干擾。原理與傳導抗擾度類似，干擾源信號也是1KHz，80%AM 調(diào)制的正弦波，不同的是需要在全電波暗室中進行，驗證頻率80MHz~6GHz，步進為1%。在第一次執(zhí)行輻射抗擾度測試之前，需要進行場均運性驗證(UniformFieldArea)。UFA是一個假想的

1.5mx1.5m的平面，在這個平面上均勻劃分了 16個點。如圖3所示。驗證時，在每個點上，使用與測試相同的頻率范圍和步進，并不斷調(diào)整功率，使得場強水平保持不變。完成后，在每一個頻點上得到16個功率值。這16個值按高低排序，至少前12個點中的最大值與最小值之差在6dB以內(nèi)，并記錄該功率最大值為Pc。如果滿足該條件，就說明EUT可以放置于該UFA中進行抗擾度測試。

測試時，在每一個頻點上使用UFA驗證時記錄下來的Pc值，來控制信號發(fā)生器和功率放大器的輸入。保證EUT暴露在所需的場強中。然后觀察EUT是否工作正常。

2.5其他EMC測試

其他的EMC測試用例，如ESD是用來模擬人體放電對EUT的影響;電壓閃爍和諧波是驗證 EUT連接共用電網(wǎng)時對其他設備的影響:電快速脈沖群，浪涌和電壓暫降則是模擬公共電網(wǎng)中各種常見干擾，來驗證EUT對抗此類干擾的能力。由于篇幅有限，具體測試過程就不一一介紹了。