如何实现混合动力汽车的逆变器和电磁兼容改进设计？

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，du/dt的值很高，电机定子电流du/dt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。1电磁兼容(EMC)的内涵

1.1电磁兼容的含义及由来

顾名思义，电磁兼容就是指不同设备发射的电磁波可以相互兼容，互不影响。当今社会随着手机，无线路由器的广泛应用，各种无线通信技术渗透到人们的日常生活中，如GSM，CDMA，WCDMA，LTE，wifi，蓝牙，GPS导航等等，还有即将到来的5G时代，可以想象，人们的生活将日益与无线通信技术紧密联系在一起。但是你是否知道，所有的无线通信背后都不离不开一样东西，那就是电磁波。

1888年，德国物理学家赫兹用实验的方式证明了电磁波的客观存在。为了纪念他，人们就用赫兹作为波动频率的单位。电磁波的发现，给人们生活带来了包括无线通信在内的多种便利，如红外探测，微波加热，紫外杀菌，x光透视等等。但是电磁波也会带来危害。比如，天气干燥人靠近或接触电器时，可以产生放电现象，瞬间电压可达几千甚至上万伏，可能会使电器失灵;充电时，电源网络的电压波动，短时压降，会产生低频传导干扰，也会损坏设备。另外，在战争时期，电磁武器产生的大功率干扰可是对方的电子及通信设备无法工作。所以，电磁兼容的概念随着电磁波的发现也逐渐发展并被重视起来。

1.2电磁兼容的分类

准确来讲，电磁兼容有两方面的含义。一方面，一个设备在正常工作时，它产生的电磁场必须低于一定的限值，不会干扰到其他设备的正常工作，这个概念称为电磁骚扰(EMI);另一方面，一个设备必须具备一定的抗干扰能力，口保证在其他设备正常工作产生的电磁场中不被干扰，这个概念称为电磁抗扰(EMS)。

电磁兼容按照电磁波传输方式的不同也可以分為传导和辐射。传导是指在电磁波以有线的方式在线缆中传输，辐射则是至电磁波在空间以无线的方式进行传输。

根据上述分类方法，电磁兼容问题可分为传导骚扰，辐射骚扰，传导抗扰度，辐射抗扰度，另外电磁兼容还包括静电放电，电压波动，谐波闪烁，电快速脉冲群，浪涌，电压暂降以及磁场干扰方面的研究。

2.电磁兼容测试

为了验证设备是否具备合格的电磁兼容性，并且可重复、可比较，各主要国家或地区都设立专门机构，制定电磁兼容标准，规范测试方法、测试环境以及测试设备。目前，世界范围内接受程度最广是国际电工委员会IEC制定的CISPR系列标准。下面，就来介绍一下标准中规定的几个最常用的EMC实验用例。

2.1 传导骚扰

传导骚扰指的是电流或数据在线缆中传输时，通过线缆，电源端口，控制端口对周围环境产生的干扰。它的测试原理比较简单，以电源端口为例。为了测到被测设备(EUT)在电源端口产生的骚扰，首先需要将人工电源网络(AMN)连接到电源上，它可以滤除电源的杂波，并且给EUT提供稳定的匹配阻抗。然后，将EUT的电源与之相连，同时测量骚扰的接收机也连在AMN上。为避免 EUT在上电期间产生大幅度的瞬态信号，从而对接收机造成损坏，还需要在AMN和接收机之间加上限幅器。对于非落地设备，像手机，电视机等EUT，测试时需要放置在80cm高，至少lmx1.5m的非导电的桌子上(一般为纯木质);对于落地设备，需要放置在地面进行测试,但是在地面和EUT之间需要放置最高15cm的绝缘层。具体配置如图1所示。

2.2 传导抗扰度

射频发射机产生的申磁场，可以通过EUT的某个或某些线缆，如申源线，信号线，控制线等，耦合到设备内部从而产生干扰。传导抗扰度就是检验 EUT抵抗这种干扰的能力。测试原理如图2所示:

首先由信号发生器产生1kHz，80%AM调制的正弦波干扰信号，经放大，兀配，滤波，达到标准中规定的骚扰电压等级，通过注入设备加到 EUT 上。注入设备首选耦合/去耦合网络，一般做在一个盒子里，称为CDN。原因是CDN可以提供最好的测试可重复性，且保护辅助设备。目前有各种类型的CDN可适用于电源线，信号线等。但仍然有些情况下，CDN是不可用的，就必须用其他的注入方式，如电流钳。测试在150k~80MHz的频率范围内以1%的步进方式执行，在每个频点上，对 EUT的功能进行监控。

2.3辐射骚扰

辐射骚扰的测量要比传导骚扰复杂得多。首先是场地要求。辐射骚扰通常需要在开阔场(OATS)内进行测试。理想的开阔场一片没有任何电磁波阻碍的场地。如，没有建筑物，申缆，树木等，地下也不能有管道，线缆等物。

这样的场地显然是不容易找到，尤其是在经济较发达地区。所以，标准中规定了其他可替代的场地:半电波暗室和全电波暗室。半电波暗室是指除地面以外四周和顶部都安装了吸波材料，因此除地面外其他地方几乎没有电磁波的反射。全电波暗室则是在半电波的基础上，在地面也加装了吸波材料，实际上是模拟了

只有直射波的自由空间。通常，1G以下的辐射骚扰测试在半电波暗室进行，1G以上则使用全电波暗室。

测试前，EUT及其附件按照正常工作的状态放置在80cm高的桌子上(1G以上为1.5m高)，至少lmx1.5m，且材质是非传导性的。EUT 及其附件的边缘距天线的参考点为10m(1GHz以下)和3m(1GHz以。测试时，桌子连后放置的EUT及其附件进行360度旋转，并且在1~4m的范围内移动天线，以找到最大值。

2.4 辐射抗扰度

辐射抗扰度指的是将于扰信号通过天线辐射出去，在 EUT周围的空间形成一定水平的场强，如3V/m，然后验证EUT是否会被干扰。原理与传导抗扰度类似，干扰源信号也是1KHz，80%AM 调制的正弦波，不同的是需要在全电波暗室中进行，验证频率80MHz~6GHz，步进为1%。在第一次执行辐射抗扰度测试之前，需要进行场均运性验证(UniformFieldArea)。UFA是一个假想的

1.5mx1.5m的平面，在这个平面上均匀划分了 16个点。如图3所示。驗证时，在每个点上，使用与测试相同的频率范围和步进，并不断调整功率，使得场强水平保持不变。完成后，在每一个频点上得到16个功率值。这16个值按高低排序，至少前12个点中的最大值与最小值之差在6dB以内，并记录该功率最大值为Pc。如果满足该条件，就说明EUT可以放置于该UFA中进行抗扰度测试。

测试时，在每一个频点上使用UFA验证时记录下来的Pc值，来控制信号发生器和功率放大器的输入。保证EUT暴露在所需的场强中。然后观察EUT是否工作正常。

2.5其他EMC测试

其他的EMC测试用例，如ESD是用来模拟人体放电对EUT的影响;电压闪烁和谐波是验证 EUT连接共用电网时对其他设备的影响:电快速脉冲群，浪涌和电压暂降则是模拟公共电网中各种常见干扰，来验证EUT对抗此类干扰的能力。由于篇幅有限，具体测试过程就不一一介绍了。