交流感应电机驱动系统电磁兼容设计①

2013-02-02张戟，生玲

佳木斯大学学报（自然科学版） 2013年3期

张戟，生玲

(同济大学新能源汽车工程中心，上海201804)

0 引言

动力系统产生的传导干扰分为差模干扰和共模干扰.差模干扰是指由电缆之间所构成回路中的干扰噪声;共模干扰则是电缆与地线所构成回路中的干扰噪声.其中，以共模干扰为主.基于对系统局部进行改善而直接抑制共模干扰电流，降低干扰强度的方法，本文将从屏蔽、接地和缓冲电路方面进行电磁兼容设计，提出通过减小降低电压变化率和电流变化率等措施实现减小漏电流，降低系统干扰强度.

1 布局

1.1 屏蔽

(1)电磁屏蔽原理

在电磁兼容工程中，屏蔽被广泛用于抑制电磁噪声，其原理就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射.屏蔽按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽［1］.

a. 电场屏蔽

空腔导体(不论是否接地)的内部空间不受外电荷和电场的影响;接地的空腔导体，腔外空间不受腔内电荷和电场影响，这种现象称为静电屏蔽［2］.

实际应用中，静电屏蔽是随时间变化的电场.随着时间的变化，屏蔽导体上的电场也在移动，如图1(a)是表示两导体间的交变电场耦合的等效电路图.干扰源和受扰源通过它们之间的分布电容进行耦合.

图1 导体之间电场耦合和屏蔽措施

导体1 为干扰源，导体2 为受扰源.导体1 和导体2 之间的寄生电容为C12，导体通过寄生电容在导体2 上感应出干扰电压. 设电压源Ug 的频率是ω，则导体2 上的感应电压可表示为:

从式(1)可以看出，在阻抗Z1和Z2都为定值的情况下，寄生电容C12越大，感应电压U2以也越大.当导体1 和导体2 之间的距离不能改变时可以在两导体间增加入屏蔽板来减小耦合.

在图1(b)中，电容C13和C23分别是屏蔽层与导体1 和导体2 之间的寄生电容，电容C12是导体1和导体2 之间的寄生电容，当在两导体之间插入屏蔽板，导体1 和导体2 均与屏蔽板3 耦合，它们之间的寄生电容大大减小，因此C12比C13和C23要小许多.屏蔽板的阻抗Z3远小于导体1 与导体2 之间的容抗时，屏蔽板上的电压可表示为:

此时，干扰源导体1 在受扰源导体2 产生的噪声为:

分析式(3)可知，在导体1 和导体2 的距离保持不变时，因此减小阻抗Z3才能有效地降低噪声.屏蔽板接地阻抗Z3越小，导体2 上的感应噪声越小，当Z3趋近于零时，两导体间的大部分耦合通过屏蔽变成两导体各自与地间的耦合.只要屏蔽体良好接地，就可在很大程度上降低受扰源上的噪声.

b. 磁场屏蔽

低频磁场的磁力线是连续闭合的曲线，屏蔽罩采用高磁导率的铁磁材料制作，因其磁阻远远小于空气磁阻，可以限制其作为干扰源对其它设备产生干扰，同时使外界的磁场干扰不会影响到内部的工作设备(如图2 所示). 因此，屏蔽板壳体越厚，屏蔽效果越好.

图2 低频磁场屏蔽

在高频磁场穿透金属板块时，在金属板中会造成涡流. 高频磁场屏蔽主就是利用电磁感应现象，在导体表面所产生的涡流的反磁场抵消原磁场达到屏蔽效果. 屏蔽材料通常采用选择良好导电体，例如铜、铝等.

c. 电磁场屏蔽

电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种措施. 当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对人射波产生反射.未被表面反射掉而进人屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减. 在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射并重新返回屏蔽体内. 因此，电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收［1］.

(2)车辆动力系统屏蔽方案

DC/AC 逆变器作为系统拥有外围屏蔽壳体，在内腔里的主电路和控制电路用导电中隔板分开.逆变器屏蔽壳体采用钢板材料，并且在外层镀锌，从而屏蔽壳体具有良好的导电率和较好的导磁性，对电场有理想的屏蔽效果，对低频磁场也能起到较好的屏蔽作用.当有导线要穿过屏蔽体时，必须使用贯通滤波器，如图3 所示.这样可以将导线接收到的干扰滤除到屏蔽体上，从而避免干扰穿过屏蔽体［3］.

图3 给导线加贯通滤波器示意图

图4 车辆接地方式

图5 控制电路的接地方式

屏蔽体的上的孔洞和缝隙是影响屏蔽效能的重要因素.针对逆变器屏蔽箱体上的信号线、信号线开口和机箱部件之间的缝隙采取屏蔽措施，金属接插件和屏蔽电缆对开口提供良好的电磁密封;采用导电布和铜箔粘接金属机箱上的缝隙［4］;信号电缆在端接处保证与机箱的360 度端接.上下两部分之间的接缝用导电垫圈进行处理，保证其良好的射频接触.

(3)动力线缆的屏蔽

逆变器的输入电压经一系列PWM 调制过后产生的矩形波组成的周期波形，它较好地消除了低倍频分量，但又引入了频率更高的分量.因此，需要对动力线缆采取屏蔽电缆，并对电缆两端接地. 当噪声电流必须流回变频器时，屏蔽层则会形成一条最有效的通道，可以大大降低系统的电磁噪声.

图6 驱动电路电源示意图

图7 常见缓冲电路拓扑图

1.2 接地

(1)车辆的接地设计

车辆良好的接地设计是解决电容兼容问题有效的措施.如图4 所示，车辆常用的接地可分为单点接地(a)(b)、多点接地(c)和浮点接地(d).

单点接地的缺点是接地导线太长，当频率升高时增加了地阻抗，容易产生共地阻抗干扰. 所以当频率小于1MHz 时，使用单点接地;当频率大于10MHz 时，采用多点接地，当频率在1MHz 和10MHz 之间，若接地线不超过波长的1/20，采用单点接地.浮点接地是将某个系统完全与车体隔离，使电位悬浮，可以防止该系统影响其它接地设备.但是由于系统没有与车体连接，会导致该电荷积累，当积累的电荷超过一定程度时，该系统与车体间会产生强烈的放电现象. 为解决这个问题，可以在设备和大地之间接一个大阻值的泄放电阻，以消除静电积累的影响.

(2)车辆动力系统的接地

对于电动汽车而言，地就是车体.动力系统在额定工作状态下为高电压大电流，出于对低压元器件的保护，尤其是人身安全考虑，动力系统的主电路采用浮地的方式.

车用DC/AC 逆变器的控制电路与其它传统的车载零部件一样，供电电压为12V，所以就近连接到车体上的接地点. 以车体作为电流回源路径，如图5 所示.

图8 增加缓冲电路前后的电路图

(3)驱动电路电源地线回路

DC/AC 逆变器驱动电路的以IGBT 作为开关元件，如果驱动电路中的上三个桥臂和下三个桥臂分别共用一个电源，则会存在公共阻抗耦合问题，如图6(a)所示.以上桥臂为例，上桥臂三个栅极电压均受到三个栅极电流影响，离电源最远处的所受最为严重.另外，地线回流路径由于主电路回路存在的分布电感，在IGBT 开通和关断暂态过程中具有很高的di/dt，此时主电流回路上产生较大的感应电压，该电压可出现在器件的栅极上导致本来应偏置截止的器件可能导通［4］. 解决措施如图6(b)所示，将每个IGBT 使用独立电源供电，不仅可以降低公共电阻耦合和公共电感耦合，同时电源回路面积得到有效控制，从而抑制环路引起的辐射发射.另外，在IGBT 电源端加入解耦电容也能达到抑制噪声的作用.

图9 加缓冲电路前后Uc 仿真图

2 缓冲电路

IGBT 动作时两端会存在电压尖峰信号，利用线性叠加的方法可将其分解为一个方波信号和一个过冲信号，通过傅里叶分析可以发现，方波信号在高频段时的频谱很小，因此高频段的频谱主要由过冲信号的频谱而决定［5］. 因此可设计缓冲电路来吸收抑制开关动作产生的过冲信号.缓冲电路可分为关断缓冲电路(吸收器件关断过程中的过电压和换向过电压，抑制du/dt)和开通缓冲电路(用于抑制器件开通过程的过电流和di/dt)，减小损耗.

如图7 所示的是IGBT 回路中常用的几种吸收电路类型，可用于抑制由于寄生电感在直流母线上的作用而产生的二极管恢复浪涌电压和关断浪涌电压.

本文以A 相上桥臂为例进行仿真，采用的是D型缓冲电路.增加缓冲电路前后的电路图如图8 所示.

当IGBT 关断时，负载电流将会经二极管D 向电容C 进行充电，因此IGBT 的漏极电流将会逐渐减小，由于电容C 上的电压不能跃变，IGBT 漏极和源极两端的电压变化率将会受到限制，电容C 越大，电压的变化率就越小，从而可以减小共模干扰漏电流［6］.缓冲电容的大小可以根据式(4)或功率器件应用手册的推荐值来选择:

其中，Ls为主电路电感，主要是没有续流时的杂散电容;Upk为上最大充电电压;Uoc为电源电压;Io为负载电流.电路中的电阻Rs要合理选择.当Rs过大时，放电时间RsCs过长，电容Cs上的电量不能完全放掉.但Rs太小时，在IGBT 导通时，RsCs放电电流过大、过快，可能危及器件的安全，甚至会引起振荡.电阻选择参考下面的公式［7］:

缓冲二极管在IGBT 关断时形成的正向压降降低将会产生尖峰电压;同时，其逆向恢复时间长短将会直接影响到吸收电路响应的开关损耗. 因此，二极管应具有渡正向电压低、逆向恢复时间短及逆向恢复特性较软等特点，其中快恢复二极管可钳位瞬变电压，抑制谐振的发生. 当电源电压为330V 时，加缓冲电路前后的漏极的电压UC 仿真波形如图9(a)、(b)所示:

可见:加缓冲电路前，漏极电压UC 最大值超过360V，加缓冲电路后，漏极电压UC 最大值不到340V，IGBT 开关动作时电压变化率得到了有效的缓冲，达到了削减漏电流，抑制共模干扰的目的.