1. 電機驅動系統(tǒng)的電磁兼容性分析

1.1 電機驅動系統(tǒng)中的干擾源分析

電機驅動系統(tǒng)中的主要干擾源是功率開關器件的開關動作，目前車用硅基 IGBT 的工作頻率一般為10kH，同時由于電路中雜散電感等寄生參數(shù)的存在，IGBT 在開通和關斷 瞬間會產(chǎn)生較高的du/dt 和 di/dt，如圖 1(b)所示某款純電動汽車用IGBT 模塊工作過程中產(chǎn)生的 du/dt≈3840V/us，di/dt≈2145A/us，這勢必將在電機驅動回路中產(chǎn)生頻譜范圍廣闊的EMI騷擾， 某款電機電控系統(tǒng)的原始狀態(tài) AM 頻段輻射發(fā)射測試數(shù)據(jù)如圖 2 所示，從圖中可以看出在3MHz處的騷擾尤為嚴重。

(a) 電機驅動系統(tǒng)簡化電路

(b) IGBT 雙脈沖試驗結果

圖 1 電機驅動電路的主要干擾源分析

圖 2 電機及其控制器 AM 頻段測試結果

1.2 電機驅動系統(tǒng)中的干擾傳播路徑分析

du/dt 和 di/dt 引起的噪聲在路徑中傳播產(chǎn)生的共模干擾是電機驅動系統(tǒng) EMI 問題的難點所在[4]。如圖 3 所示共模電流的主要流通路徑有兩條， 一條是從 IGBT 逆變模塊通過散熱片與機殼之間的分布電容 C1 傳導至參考地平面， 另外一條是共模電流Icom1/Icom2/Icom1 通過電機繞組之后， 由電機定轉子之間的寄生電容 C2 及機殼與參考地之間的分布電容 C3 構成流通回路。

圖 3 電機驅動系統(tǒng)的共模干擾路徑分析

受脈沖上升時間、電纜參數(shù)、感應電機等效阻抗等因素的影響， 共模電流在從控制器流向電機繞組時會出現(xiàn)阻抗不匹配引起的反射， 進而使電機端電壓在電 平轉換瞬間出現(xiàn)瞬時過沖現(xiàn)象 （瞬時過電壓）， 而且數(shù)值最大時可以達到逆變器相電壓的 2 倍[5]，有可能加劇電機驅動系統(tǒng)的 EMI 騷擾。本文基于實際工程運用， 提出在電機控制器輸出三相電端添加共模磁環(huán)的方式來抑制電機驅動系統(tǒng)的 EMI 發(fā)射水平。

2 磁環(huán)優(yōu)化設計分析

為了通過阻斷電機控制器與電機之間騷擾傳播路徑的方式來降低整個系統(tǒng) AM 頻段的騷擾水平，設計了一種安裝在逆變器三相輸出端的共模磁環(huán)，磁環(huán)安裝位置如圖 4 所示。

該三相濾波磁環(huán)采用納米晶材料， 納米晶具有高磁導率、高飽和磁通密度、損耗小、高居里溫度、高工作磁感等優(yōu)點， 納米晶材料的主要性能參數(shù)如表1所示。

圖 4 磁環(huán)安裝位置示意圖

該磁環(huán)采用厚度 21μm 的納米晶磁芯繞制成跑道型，經(jīng)過高溫退火以及橫磁場處理而成，再將處理過的磁芯安裝到 PBT 外殼中，灌封硅膠處理。該磁環(huán)安裝在電機控制器三相輸出的銅排端， 結構方面具有體積小、占用高度小、安裝方便等優(yōu)點；電氣方面具有高電感量、高磁導率、高飽和磁通密度、銅損小、居里溫度高等突出優(yōu)點，完全滿足 QC/T 413-2002、GB/T 2423.5-1995 震動沖擊的標準。

磁環(huán)結構如圖 5 所示， 該磁環(huán)用 M6 的螺釘鎖緊到電機控制器的殼體內(nèi)壁上， 三相輸出的銅排從磁環(huán)的三個孔穿過，該結構使三相有效的隔離開來，加強了三相之間相對爬電距離。

（a）三維圖

（b）外形圖

（c）安裝示意圖

圖 5 磁環(huán)結構

由于電機為感性器件， 原設計中電機控制器端未設置感性匹配，導致高頻干擾由電機端進行反射，加大了線纜輻射干擾的嚴酷程度（如圖 2 所示）。本文設計的三項濾波磁環(huán)等效為一個低通濾波器，與電機感性匹配，將干擾抑制在電機控制器內(nèi)部，從而可以減小騷擾電流流經(jīng)的電路環(huán)路面積， 達到降低系統(tǒng) EMI 騷擾水平的目的。如圖 6 所示為加裝納米晶三相共模磁環(huán)后的 AM 頻段輻射發(fā)射測試結果對比， 圖中綠色和藍色曲線為未加磁環(huán)測得的輻射騷擾曲線， 紅色和黑色曲線為添加三相納米晶濾波磁環(huán)后測得的輻射騷擾曲線。通過對比可知三相磁環(huán)的使用使輻射騷擾在 400kHz 以上具有明顯的降低，最高可達 10dB。

圖 6 AM 頻段輻射騷擾對比圖

3 結束語

本文通過理論分析指出了電機驅動系統(tǒng)的共模電流流通路徑，從抑制逆變器-電機的騷擾傳播路徑出發(fā)， 設計了一種安裝在電機控制器三相電輸出端口的納米晶材質磁環(huán)。該共模磁環(huán)的引入減小了共模電流的流通環(huán)路面積， 從而有效的抑電機控制器在工作時產(chǎn)生的輻射發(fā)射的 強度， 提高了 整車的EMC 設計可靠性，為工程設計降低電機驅動系統(tǒng)整體輻射騷擾提供了思路。

然而在實際應用中， 三相磁環(huán)的設計需要根據(jù)不同的電機驅動系統(tǒng)來設計不同的參數(shù)指標， 具有普適性的共模磁環(huán)方案有待進一步研究。