电驱动总成电磁兼容性浅谈

汽车行业正在全面发展电动化、智能化、网联化，大功率电子电器、高精度传感器越来越多的集成在新能源整车中。"电磁兼容性"(英文名：Electromagnetic Compatibility, EMC)这个词，高频化的出现在我们的工作生活中，越来越受到汽车行业，尤其是电动汽车业的重视。在《电动汽车安全指南2019版》和《2020版新能源汽车国家强制标准即将发布》中，都详细规定了电驱动总成EMC及防护措施；同时国家也推出了有关电动汽车驱动系统的电磁兼容性标准GB/T36282-2018；那么，什么是电磁兼容性？电驱动总成在设计时从哪些方面考虑电磁兼容性问题？电驱动总成EMC设计趋势怎样？下面我们就对以上几个方面进行展开：

一、什么是电磁兼容性？

电磁兼容性是指电子电器设备处在同一个环境中，各自能正常的工作又不相互干扰的一种"兼容状态"。国标电工技术委员会（International Electrotechnical Commission, IEC）对"电磁兼容"的理解是：车辆或零部件在特定的电磁环境内可以稳定、可靠的运行，同时，对此电磁环境下的其他设备不会造成不允许的干扰。

电磁干扰模型中的三要素为：

（1）电磁干扰源；

（2）对电磁干扰敏感的设备；

（3）在干扰源和敏感设备之间用来传送干扰信号的耦合通道。

以上三个要素都具备时才会发生电磁干扰，去除其中一个，都能避免电磁干扰的发生。在产品设计的时候我们就要考虑从哪一个要素进行电磁兼容的考虑，一般来说，消除主要的电磁干扰源（电磁抑制）是最为有效和低成本的方法。以下分析主要从产品设计上考虑电磁兼容性问题。

二、电驱动总成在设计时从哪些方面考虑电磁兼容性问题？

1、从电驱动总成整体布局方面考虑电磁兼容性问题

随着行业的不断发展，乘用车电驱动系统从原来的电机、电控分体式向目前的电机、电控、减速器集成式电驱动总成方向发展，相应的电机、电控之间外部连接原有的三相及旋变线束也被现在电驱动总成内部的三相铜排和旋变线束取而代之，从EMC角度大大减小了三相线外露造成的辐射以及旋变线外露受到的干扰，同时由于电机和电控集成在一起，大大缩短了三相线和旋变线的长度，也就减小了线束本身产生的自感。同时也有电驱动总成厂家把电机三相线整束线缆穿过一个磁环，构成一个共模扼流圈，根据产品EMC实际需求选择不同的磁环材料来对高、低频的干扰进行抑制（如下图1所示）。

同时电驱动总成在控制器内部一般进行分层设计，上层为低压控制电路，下层为高压逆变驱动电路，上下层之间用隔离板进行隔离，对电磁干扰起到屏蔽作用，并且内部走线高低压分开或是高低压线束尽量短，减小自身产生的自感和辐射，如下图2所示，Model 3电驱动总成虽然把低压控制电路和高压驱动电路集成一块PCBA上，但在PCBA整体布板上也进行了高低压区域划分，并且整个控制器部分内部无线束连接，对EMC处理起到了很好的效果。

图1  Model 3中三相线磁环位置

图2  Model 3控制器部分

当然接地在整个EMC处理中也起到了关键的作用，不管是电驱动总成整机外壳接地，还是高、低压接插件屏蔽接地，还是产品设计中选型的Y电容接地，良好的接地对EMC处理起到了很好的效果。

2、从电路设计及PCBA布板方面考虑电磁兼容性问题

1）开关电源的电磁兼容性设计

目前，大多数电机控制器板端供电选用开关电源，以节省能源和提高工作效率；开关电源电路为了减小体积，提高效率，使用更高的开关频率也是导致其成为电路中最主要的电磁干扰源，这样它们也是电磁兼容设计的主要内容。

2）通讯接口的电磁兼容性设计

动力总成方案采用的是CAN总线通讯方式。基本电路拓扑结构如下图3所示

图3 电路拓扑结构图

CAN总线电缆是传导干扰传播的主要途径，为保证通讯的可靠性，我们采用的EMC措施有以下几点：LC滤波器，瞬态抑制二极管，数字信号隔离，均能对传导干扰信号进行有效的抑制。

3）印刷电路板的电磁兼容性设计

设计印制电路板，涉及到模块化子电路的布局，电路板层的分布，信号和电源线排布的形式等，下面对各个部分进行简单的分析，保证电路板设计时尽量避免EMC问题的产生。

（1）模块化子电路的布局。

如下图4所示，某电机控制器主控板子电路模块化布局图，从图中可以看出，低电子信号（温度、电流、电压模拟信号处理电路）通道远离高电平信号通道（开关量输入输出，能产生瞬态过程的电路）和无滤波的电源；模拟电路（B）和数字电路（A）分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回路产生公共阻抗耦合，导致相互之间信号的干扰；隔离电源处于各模块电路之间，便于隔离供电。

图4 电路模块化布局图

（2）电路板层的分布。

在设计印制电路板时，一个最基本的问题是实现电路要求的功能需要多少个布线层和电源平面，印制电路板的层数取决于要求的功能，噪声指标，电源平面，信号的分类等。在EMC设计时，采用PCB中的金属平面来抑制电路上产生的共模射频干扰能量最重要的方法之一。

图5 电路板层

如图5中所示，可以清晰的把各种参考地平面隔离出来，并且保证其各自的地平面完整分布，电路板共有四层，从上到下依次是信号层，电源层，地层，信号层。4层板的引入，使所有信号到参考地的回路变得更短，电磁辐射和接收干扰信号的能力变得更小。

（3）信号和电源线排布的形式

电磁辐射通过电磁感应方式，由带电体或电流回路及磁感应回路对外产生电磁辐射；导体都可以看作一根电磁感应天线，电流回路都可以看作一个环形天线，尽量缩短电路引线的长度和减小电流回路的面积，减小电磁辐射；电源引线的地和信号源的地严格分开，或对信号引线采取双线并行对中交叉的方法，让干扰信号互相抵消，可以减小电磁辐射；对信号引线还可以采取双地线并行屏蔽的方法，信号线布置在两条平行地线的中间，形成双回路布局，干扰信号互相抵消，屏蔽效果非常显著。

3、从元器件选型方面考虑电磁兼容性问题

电磁兼容性元器件是解决电磁干扰发射和电磁敏感度问题的关键，正确选择和使用这些元器件是做好电磁兼容性设计的前提。因此，我们必须深入掌握这些元器件，这样才有可能设计出符合标准要求、性能价格比最优的电子、电气产品。而每一种电子元件都有它各自的特性，因此，要求在设计时仔细考虑。我们常见的用来减少或抑制电磁兼容性的电子元器件有电容、电感、磁珠、TVS二极管、电磁干扰滤波器等，下面对其中两种EMC常用元器件选型进行简单介绍。

⑴ 磁珠选型

磁珠的电路符号就是电感，但是型号上可以看出使用的是磁珠，在电路功能上磁珠和电感是原理相同的，只是频率特性不同罢了，如下图6所示为磁珠和电感的实物图。

电感是储能元件，而磁珠是能量转换(消耗)器件。电感多用于电源滤波回路，侧重于抑止传导性干扰；磁珠多用于信号回路，主要用于EMI方面。磁珠用来吸收超高频信号，象一些RF电路，PLL，振荡电路，含超高频存储器电路(DDR，SDRAM，RAMBUS等)都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种储能元件，用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过50MHz。

图6 磁珠和电感

⑵电磁干扰滤波器选型

EMC设计中的滤波器通常指由L，C构成的低通滤波器。不同结构的滤波器的主要区别之一，是其中的电容与电感的联接方式不同。滤波器的有效性不仅与其结构有关，而且还与联结的网络的阻抗有关。如单个电容的滤波器在高阻抗电路中效果很好，而在低阻抗电路中效果很差。

实践表明，即使对一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽和接地措施的产品，也仍然会有传导干扰发射或传导干扰进入产品。滤波是压缩干扰频谱的一种有效方法，当干扰频谱不同于有用信号的频带时，可以用电磁干扰滤波器将无用的干扰滤除。因此，恰当地选择和正确地使用滤波器对抑制传导干扰是十分重要的。

三、电驱动总成EMC设计趋势展望

对于新能源汽车的电驱动总成，以下两个趋势已经得到业内广泛的认可：

1、高功率密度

目前主要的方案如下图7所示有：

1）提高电控的输入电压，

2）提高开关频率（SiC开关频率可以达到20kHz以上），

3）提高电机的转速（对应开关频率提升）。

不论是电压升高还是频率提升，带来的直接影响就是更大的EMC干扰。

图7 高功率密度方案

2、控制智能化

智能化主要指的如下图8所示：自动驾驶和车联网，要实现这些功能需要引入更多的传感器（雷达、摄像头等）和通信设备（4G），这些设备都对干扰极其敏感，也就意味着，未来新能源汽车对EMC的要求会越来越高。

图8 智能化方案

要想解决这些问题，需要从以下几个方面来考虑：

1、系统化的考虑EMC问题

驱动器是产生干扰的源头，所以，所有的EMC问题都必须在驱动器端解决。这种方法虽然可以达到目的，但是付出的成本将会非常高昂。EMC实际上是一个系统问题，既可以在源头抑制，也可以通过负载解决。例如，同一台驱动器，搭配两个不同的电机，对外辐射差异可以达到两个等级；如果从电机方面进行很小的优化，可能利用极低的成本达到系统EMC最优。

2、量化EMC设计

根据某司的实际测试验证结果，对于同一容值的不同类型电容，应用在同一个驱动器上，测试结果差异达到8dB，对于标准来说就是一个等级以上的差异；如果我们仅仅从容值来说，这几组电容是一样的，但是当我们考虑电容的高频模型，就会发现它们的差异。

在实际应用中，不论是电容、电感还是PCB，都存在寄生参数，在进行EMC设计时，如果通过设备测量或是软件参数提取等方法得到这些器件的高频模型，我们就能在一定的频率范围内容预测出干扰大小。某司目前利用器件的一阶模型，目前能够比较准确的仿真出辅助电源600kHz以前频段的干扰值。

量化设计不能纯理论化，必须通过专业的测试平台来验证，否则仿真的结果将只能停留在理论上。

3、未来EMC设计平台方案

集电驱动总成系统、系统仿真、试验平台为一体的综合EMC解决方案，为整车提供系统成本最优的EMC产品和方案，如下图9所示。

图9 综合EMC解决方案