电动汽车用逆变器的电磁兼容性设计知识分享

电动汽车用逆变器的电磁兼容性设计

电动汽车用逆变器的电磁兼容性设计

段瑞昌，徐国卿

(同济大学电气工程系，上海 200333）

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，d u/d t的值很高，电机定子电流d u/d t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L s I C2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