电动汽车电机驱动系统EMC设计及测试研究

引  言

电机驱动系统作为电动汽车的动力来源及将电能转换为机械能的关键设备，在电力转换的过程中会产生大量的传导及辐射骚扰信号，是电动汽车EMC问题的主要零部件之一。
由于监管机构的强制要求及各车厂出于提高自身竞争力的考虑，目前设计人员已对电动汽车的EMC问题做了较多的研究，相关的国家标准也日益为人们所熟知。

其中GB/T18655—2018《车辆、船和内燃机无线电骚扰特性用于保护车载接收机的限值和测量方法》是零部件厂商应用最为广泛的EMC标准之一，该标准在新修订的内容中增加了对高低压部件的适用性部分，包括高低压耦合的测量方法及高压部分的限值等，并在附录I高压部件的示例中提到带电机的逆变器。

但该标准未限定测试中电机及控制器应处于的工作状态，根据文献的研究，不同工作状态下电机驱动系统的传导及发射骚扰性能在不同频段有不同的表现。除此之外，工业与信息化部在2018年推出了针对性适用于电动汽车用电机驱动系统的EMC标准GB/T36282—2018《电动汽车用驱动电机系统电磁兼容性要求和试验方法》，此标准从整车应用的角度出发，对电机驱动系统的辐射骚扰限值、辐射抗扰及传导抗扰、静电放电抗扰都做了全面的要求，是电机驱动系统较为全面的EMC标准，该标准还对测试时电机驱动系统应处于的工作状态做了明确要求，得到了认可和广泛应用。

EMC测试往往是电机驱动系统测试的后期环节，同时也是关键环节，若EMC测试的效果不理想，可能导致开发过程较多的重复，同时由于EMC测试资源紧张，其测试费用也十分高昂，厂家一般都难以预留充足的EMC测试整改时间。因而，在设计阶段对影响EMC性能的关键因素做较为充分的考虑，在方案设计中对可能存在的EMC问题进行设计消除，是设计工程师必须考虑的内容。

1  电机驱动系统EMC影响因素分析

电机驱动系统包括电机及逆变器，逆变器将蓄电池提供的高压直流电转换为三相交变电源，驱动电机运行，系统结构示意图如图1所示。



1.1  骚扰来源

电机驱动系统的逆变器部分包含动力电转换单元及低压转换电源，这两部分电路分别会产生不同频次及幅值的骚扰信号，是电机驱动系统主要的骚扰信号来源。

图1中S1～S6为半导体开关，通常为IGBT或MOSFET器件，其工作频率一般在10kHz至50kHz之间，开关器件通过铜排或叠层母排与母线电容连接，母线电容可以吸收开关过程产生的高频纹波电流。开关频率通常不在标准考核的传导及辐射骚扰频段以内，但由于连接通路上寄生参数的存在，开关过程中会产生瞬态的电压电流震荡，该震荡频率与具体寄生参数有关，通常分布在5MHz～20MHz。

图2、图3分别为IGBT模块连接回路寄生参数示意及某控制器脉冲实验测试到的IGBT模块关断过程中的电压震荡波形。其中ESR及ESL为回路寄生电阻、电感，Coes、Cies、Cres为IGBT模块的寄生电容。



通过仪器测试，该连接回路的寄生电感为35nH，IGBT单元的规格书中提供的输出等效电容为2.9nF，可以计算出回路谐振频率为15.8MHz，与测试波形中的震荡频率基本一致，且通过波形可以看出，该瞬态信号在电压及电流信号中都有表现，并可能通过驱动电路传导至低压电路部分。图2中还包含开关过程中电压上升速率du/dt等效的电压骚扰信号，该上升时间约200ns，通过傅里叶分析可以得到其谐波在开关频率至50M之间都有分布，幅值随频率升高而降低。

低压电源转换电路及晶振电路也是骚扰产生的源头，GB/T36282—2018标准中的窄带测试便是主要针对这一部分。由于功率密度的限制，低压电源转换电路多数均使用开关电源，典型的有Flyback、Buck等电路形式，目前主流的管理芯片如TI公司的TPS54331等，开关频率约为500kHz左右，是传导骚扰及部分标准中辐射骚扰关注的低频段区域。典型的微控制芯片如TI公司的TMS320FC2000系列及Infenion公司的XC166系列，工作主频均在100MHz以上，适配的外部有源晶振集中于20MHz附近，也属于传导骚扰及辐射骚扰监测的频率范围。

除以上电路部分外，控制器调制方式引起的电机等效中性点对地的共模电压，也是电机驱动系统中固有的骚扰来源。

1.2  传播路径

传导骚扰信号可以分为差模信号和共模信号，功率开关过程及低压电源转换电路产生的干扰同时包含差模和共模，而调制方式导致的电机中性点电压跳变，主要是共模信号。差模信号及共模信号在回路中的传播路径如图4所示。

其中C1为直流输入线缆对地的寄生电容，C2为IGBT芯片通过散热基板对地的寄生电容，C3为定子绕组对电机轴及壳体的分布电容。




2  电机驱动系统EMC设计要点

根据上一节对骚扰发生源及传播路径的分析，电机驱动系统作为一个整体，对外部造成的EMI问题主要存在于以下几点：

（1）通过高压直流线缆对其他用电零部件的传导骚扰。

（2）通过低压信号线缆对其他用电零部件的传导骚扰。

（3）通过电机及控制器壳体对外的辐射骚扰。

（4）通过交直流高压线束、低压信号线束（通常无屏蔽）对外的辐射骚扰。

以上也是各标准对汽车零部件EMI重点考核的项目，包括传导骚扰测试及发射骚扰测试，因而控制器及电机设计中主要的应对措施有：

（1）电机控制器的高压直流线缆输入端，应设置合适的滤波器，通常采用CLC结构。该滤波器可以阻挡电机控制器内部的骚扰信号通过直流线缆向外传播，以形成更大范围的传导及辐射骚扰。

（2）电机控制器低压对外线束应设置整体的共模滤波器，以表面传导骚扰信号通过低压线束向外传播，形成传导及辐射骚扰，低压信号线束在车上往往向多个零部件连接，难以形成完全屏蔽，因此易形成辐射骚扰。

（3）高低压部分在电机控制器内部应设置空间隔离，以避免干扰信号在内部以辐射骚扰的形式越过低压部分的滤波器直接向外传播。

（4）高压直流线缆及三相线缆需使用屏蔽线缆，且连接设备的两端均需要与接线端子做完全屏蔽连接，因为高压线缆上存在高频信号，若不屏蔽易形成辐射骚扰，尤其在线缆较长的情况下。

（5）电机及控制器的密封部分若使用防水胶条，尽量使用可导电胶条，以免内部的辐射干扰向外传播。

（6）电机定子绕组对轴的寄生参数，在设计中应尽量减小，以降低共模电流。

3  测试案例

针对一套额定功率为60kW的电机驱动系统，根据以上设计要点进行设计。并按照GB/T36282的标准进行了摸底实验，系统参数如下：直流电压：540V；额定电流：160A；额定转速：4000rpm；额定转矩：145N·m。

主要进行的项目为宽带发射试验，测试布局图如图5所示。在测试中，高压交直流线缆均使用屏蔽线缆且两端屏蔽层均与机壳良好连接。


由于实验室资源限制，测试过程中未采用标准建议的扭矩运行，电机运行于额定转速的一半，空载模式。测试结果如图6所示，宽带辐射骚扰度与GB/T36282—2018要求的限值存在较大余量。



4  总结

本文通过对电机驱动系统EMC干扰来源及传播路径的分析，提出若干在电机驱动系统设计中针对EMC问题应注意的设计要点，通过对实际设计样机的摸底测试，符合标准要求，验证了设计要点的有效性。