燃料電池車用大功率DC/DC變換器電磁兼容

引言

　　目前，燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)成為我國(guó)汽車科技創(chuàng)新主攻方向。燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，DC/DC變換器，蓄電池，電機(jī)控制器(變頻器)及電機(jī)，整車控制器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及CAN總線組成，如圖1所示。其中DC/DC變換器可以對(duì)燃料電池的輸出進(jìn)行控制及能量的傳遞與轉(zhuǎn)換，成為燃料電池電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件之一。在燃料電池電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中，DC/DC變換器所處的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，各種形式的電磁干擾很多，嚴(yán)重影響了DC/DC變換器的正常運(yùn)行。因此，研究FCEV用DC/DC變換器的電磁兼容性對(duì)DC/DC變換器乃至燃料電池電動(dòng)汽車的可靠運(yùn)行具有重要意義。

　　大功率DC/DC變換器主要干擾源及電磁兼容設(shè)計(jì)

　　FCEV用DC/DC變換器是大功率變換裝置，其電磁兼容性在整個(gè)FCEV電磁環(huán)境中具有重要影響。FCEV用DC/DC變換器工作時(shí)對(duì)外界產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾，不僅對(duì)整個(gè)FCEV系統(tǒng)造成干擾，而且也會(huì)影響DC/DC變換器自身控制系統(tǒng)的正常工作。因此為了提高整個(gè)FCEV系統(tǒng)性能，必須對(duì)FCEV用DC/DC變換器的電磁兼容性進(jìn)行研究，對(duì)其產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)進(jìn)行有效的抑制。

　　大功率DC/DC變換器主要干擾源

　　FCEV用DC/DC變換器的功率一般比較大，通常選擇IGBT為功率開關(guān)管。功率開關(guān)管IGBT工作過(guò)程中產(chǎn)生高的du/dt和di/dt以及浪涌電流和尖峰電壓[1]，這是FCEV用大功率DC/DC變換器產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因。另外功率開關(guān)管開通和關(guān)斷瞬間，由于分布電感和分布電容的存在，電感電流容易發(fā)生高頻振蕩，這些因素都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁干擾，這在FCEV用大功率DC/DC變換器中表現(xiàn)的尤為明顯。這種電磁干擾嚴(yán)重影響整車控制器與CAN通信，導(dǎo)致CAN通訊頻繁報(bào)錯(cuò)，無(wú)法正常通訊。CAN通訊受干擾后的傳輸波形如圖2(a)所示。從圖中可以明顯看到，變換器開關(guān)噪音疊加在CAN通訊脈沖上，并且幅度很大。此外，嚴(yán)重的電磁干擾也會(huì)使大功率DC/DC變換器輸出紋波過(guò)大，紋波過(guò)大直接影響大功率DC/DC變換器的性能[2]。圖2(b)是用示波器采集到的變換器未經(jīng)濾波處理的輸出電壓波形，從圖中可以看到，輸出電壓上疊加了大量的開關(guān)噪音。

　　大功率DC/DC變換器電磁干擾的抑制措施

　　目前，抑制大功率DC/DC變換器電磁干擾的主要措施有減小干擾源的電磁干擾強(qiáng)度、切斷電磁干擾傳播途徑、敏感元器件合理布局以及屏蔽和信號(hào)接地設(shè)計(jì)等。[!--empirenews.page--]

　　● 減小干擾源的電磁干擾強(qiáng)度

　　大功率DC/DC變換器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是電壓和電流的急劇變化，因而需要盡可能地降低電路中電壓和電流的變化率(du/dt和di/dt)。最常用的方法就是增加吸收電路[3]，吸收電路能夠抑制電磁干擾，其基本原理就是開關(guān)管關(guān)斷時(shí)為其提供旁路，吸收積蓄在寄生分布參數(shù)中的能量，從而抑制干擾的發(fā)生。軟開關(guān)柔性換流技術(shù)是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[4]，在FCEV用大功率DC/DC變換器中，采用無(wú)源諧振軟開關(guān)柔性換流技術(shù)，可以大大降低開關(guān)過(guò)程中的du/dt和di/dt，不僅減小了開關(guān)損耗，而且還大大降低了電磁干擾。另外通過(guò)優(yōu)化功率開關(guān)管IGBT驅(qū)動(dòng)參數(shù)，合理選擇功率開關(guān)管IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和柵極驅(qū)動(dòng)電阻，也可以降低大功率DC/DC變換器電磁干擾。

　　● 切斷電磁干擾傳輸途徑

　　FCEV用大功率DC/DC變換器產(chǎn)生的電磁干擾以傳導(dǎo)干擾為主。目前最常用的方法就是在DC/DC變換器輸入和輸出端加裝濾波電容器。如圖3，為了減小FCEV用大功率DC/DC變換器對(duì)CAN通訊的干擾，在變換器輸入輸出端加適量的接地電容，CAN通訊波形得到有效改善。

　　在FCEV用大功率DC/DC變換器中，輸出電壓或電流紋波是電源的重要指標(biāo)。圖4在大功率DC/DC變換器的輸出端連接CLC濾波器后，變換器輸出電壓波形平穩(wěn)，開關(guān)噪音減小，濾波效果十分明顯。

　　此外，在FCEV用大功率DC /DC變換器中開關(guān)管IGBT以十幾千赫的頻率開通和關(guān)斷,電路中可能產(chǎn)生高次諧波電流，影響燃料電池的輸出電壓。因此DC/DC變換器輸入和輸出端通常并聯(lián)電容(電解電容與無(wú)感電容并聯(lián))。無(wú)感電容可以濾除線路中由于諧振而產(chǎn)生的高頻輻射干擾，而電解電容用來(lái)穩(wěn)定燃料電池輸出電壓及降低輻射強(qiáng)度，同時(shí)減小DC/DC變換器輸出電壓紋波[5,6]。

● 敏感元器件合理布局

　　FCEV用大功率DC/DC變換器中包含很多敏感元器件(比如電流霍爾傳感器)，這些敏感元器件對(duì)電磁干擾非常敏感。在FCEV用大功率DC/DC變換器主電路實(shí)際布局中，通常將敏感元器件布局在離功率開關(guān)管IGBT、續(xù)流二極管和高頻變壓器盡量遠(yuǎn)的地方、同時(shí)將信號(hào)線絞合并縮短布線距離，這樣可以大大降低電流信號(hào)的噪音，提高系統(tǒng)的控制性能。同時(shí)，在FCEV用大功率DC/DC變換器布線方面，也要盡量將敏感信號(hào)線路遠(yuǎn)離功率開關(guān)管IGBT、續(xù)流二極管和高頻變壓器等強(qiáng)干擾源。同時(shí)，不能與高壓交流信號(hào)和高頻脈沖信號(hào)放置在一起，應(yīng)保證適當(dāng)?shù)木嚯x。

　　● 屏蔽和信號(hào)接地設(shè)計(jì)

　　在燃料電池電動(dòng)汽車中，大功率DC /DC變換器和其他控制電路、電機(jī)控制器等設(shè)備安置在一起，相互之間要輻射電磁能量，通常采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結(jié)合的屏蔽方式來(lái)抑制輻射干擾[7]。此外，信號(hào)接地[8]也可以消除外界或其他設(shè)備對(duì)FCEV用大功率DC/DC變換器的干擾，其關(guān)鍵是選擇恰當(dāng)?shù)碾娐饭矃⒖键c(diǎn)以及接地線路的合理布局。

　　大功率DC/DC變換器控制電路板抗干擾設(shè)計(jì)

　　控制電路是大功率DC/DC變換器很重要的組成部分之一，良好的電路板設(shè)計(jì)可以大大提高電路板的抗干擾性。[!--empirenews.page--]

　　大功率DC/DC變換器控制電路主要由電源模塊、采樣信號(hào)、通訊信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)模塊組成，為防止相互間信號(hào)干擾，在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候?qū)⑵涓綦x，如圖5所示。

　　在FCEV用大功率DC/DC變換器控制電路中，電源模塊通常采用的是隔離型DC/DC模塊，實(shí)現(xiàn)了電源輸入端和輸出端的電氣隔離。采樣信號(hào)隔離包括電流采樣隔離和電壓采樣隔離。通訊信號(hào)隔離采用光電耦合器HCPL0600來(lái)實(shí)現(xiàn)了CAN總線輸入輸出信號(hào)的光電隔離。FCEV用DC/DC變換器輸出功率較大，所以選用IGBT為功率開關(guān)管，而IGBT不同規(guī)格對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)隔離方法。一般小功率IGBT采用TLP250驅(qū)動(dòng)隔離，中等功率IGBT驅(qū)動(dòng)多采用EXB841/840系列驅(qū)動(dòng)隔離模塊，而大功率或超大功率IGBT可采用2SD315A模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)隔離。實(shí)踐證明，將各個(gè)功能模塊隔離，可以大大降低控制電路各個(gè)模塊之間的相互干擾，保證了信號(hào)傳遞的可靠性及信號(hào)處理的準(zhǔn)確性。

　　大功率DC/DC變換器軟件程序抗干擾設(shè)計(jì)

　　大功率DC/DC變換器通常采用DSP控制，軟件程序的抗干擾性設(shè)計(jì)同樣非常重要。大功率DC/DC變換器軟件抗干擾主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：DSP抗干擾技術(shù)和軟件濾波抗干擾技術(shù)，前者主要是抵御因干擾造成的程序“跑飛”，后者主要是消除信號(hào)中的干擾以提高系統(tǒng)精度。

　　DSP抗干擾技術(shù)

　　在FCEV用大功率DC/DC變換器的運(yùn)行中，一旦控制系統(tǒng)的DSP受干擾，將會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，甚至使整個(gè)燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)癱瘓，所以在設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，均考慮萬(wàn)一出現(xiàn)干擾時(shí)，DSP系統(tǒng)自身的抵御措施。

　　為了提高DSP的抗干擾性，在新型DSP控制器(如TMS320LF2407A)內(nèi)部集成了看門狗定時(shí)器模塊(WDT)[9]，用于程序運(yùn)行監(jiān)視，是一種軟硬件結(jié)合的抗程序跑飛措施。WDT硬件主體是一個(gè)用于產(chǎn)生定時(shí)T的計(jì)數(shù)器或單穩(wěn)觸發(fā)器，該計(jì)數(shù)器或單穩(wěn)觸發(fā)器基本獨(dú)立運(yùn)行，其定時(shí)輸出端接至DSP的復(fù)位線，而其定時(shí)清零則由DSP軟件控制。

　　在正常情況下，程序啟動(dòng)WDT后，并在一定時(shí)時(shí)間T內(nèi)將其清零復(fù)位，這樣WDT的定時(shí)溢出就不會(huì)發(fā)生，如同睡眠一般不起任何作用。在受到干擾的異常情況下，CPU時(shí)序邏輯被破壞，程序執(zhí)行混亂，不可能周期性地將WDT清零，這樣當(dāng)WDT的定時(shí)溢出時(shí)，其輸出使DSP系統(tǒng)復(fù)位，CPU擺脫因一時(shí)干擾而陷入的癱瘓狀態(tài)。

　　軟件濾波技術(shù)

　　本文采用軟件濾波技術(shù)對(duì)FCEV用大功率DC/DC變換器的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。大功率DC/DC變換器將采集到的模擬量經(jīng)過(guò)濾波后送至DSP控制器的A/D轉(zhuǎn)換通道，通過(guò)軟件編程啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將取得的采樣值存入A/D內(nèi)置寄存器中。

　　DSP周圍的干擾信號(hào)多呈毛刺形狀，作用時(shí)間比較短。DSP對(duì)模擬量進(jìn)行采樣時(shí)，可對(duì)同一模擬量多次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將多次采樣值暫存在內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)中。當(dāng)多次采樣結(jié)束后，采用數(shù)據(jù)平滑濾波算法和多次采樣求均值的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣可以增強(qiáng)軟件程序抗干擾性，提高數(shù)據(jù)采樣的準(zhǔn)確度和精度。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文從大功率DC/DC變換器主要電磁干擾源及抑制措施、控制電路板的信號(hào)隔離以及軟件程序的抗干擾設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)FCEV用大功率DC/DC變換器的電磁兼容性進(jìn)行了研究，有效的解決了FCEV用大功率DC/DC變換器電磁干擾問題。采用上述電磁兼容設(shè)計(jì)的FCEV用大功率DC/DC變換器現(xiàn)已成功應(yīng)用在由清華大學(xué)研制的燃料電池城市客車上，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足整車使用要求，運(yùn)行效果良好。