基于展频时钟的电机驱动系统电磁干扰抑制研究

王福坚，谢佶宏，赵小羽，韦 勇，沈 阳

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545001）

近年来，随着国家政策的鼓励，电动汽车凭借低碳出行的特性获得了大众的青睐，同时促进电动汽车行业得到蓬勃发展。伴随电动汽车的发展，其电磁兼容性能也备受关注。电机驱动系统作为电动汽车的关键零部件，因内部包含功率变换器件，其工作时高电压、大电流瞬变的工作特性，使得电机驱动系统成为电动汽车的主要干扰源之一。为了避免其他车载零部件因被电磁干扰导致无法工作，需要对电机驱动系统的EMC优化方法进行研究，从而提高电动汽车的可靠性和安全性。

1 电机驱动系统原理

典型的电机驱动系统主要由控制电路、隔离驱动电路、逆变电路和驱动电机组成，其中控制电路可以细分为开关电源、主控电路、检测电路和保护电路等几部分。系统原理框图如图1所示。

图1 电机驱动系统原理框图

电机驱动系统在汽车上的工作原理如下：动力电池提供的直流电经滤波以后输入给智能功率模块 （IPM），由CPU产生的PWM信号经驱动电路控制IPM的开关动作，将输入的母线直流电逆变为三相交流电，达到驱动电机旋转的目的。其中，系统会采集驱动电机转子的实时位置和三相线的实时电流，经一系列变换后反馈给CPU作为闭环信号。同时，当系统出现过压、过流、过温等问题时，保护电路判断可以快速检测并禁止PWM驱动信号，从而保证电机驱动系统和整车的安全。

2 电机驱动系统电磁干扰机理

根据电机驱动系统的原理可以分析其电磁干扰机理［1］。逆变电路产生的PWM驱动信号除了基波，还含有复杂的高次谐波。除了控制电路的高频时钟信号、逆变电路的功率变换信号，系统不同电路中的非线性元件、杂散电容和电感也是产生高次谐波的主要原因。根据电磁兼容问题产生的三要素：干扰源、传播路径、敏感设备，需要从干扰源和传播路径两个方面来分析电机驱动系统的电磁干扰产生原因。

2.1 逆变电路的共模传导干扰

对于逆变电路，其驱动信号是经PWM调制的矩形波，高、低电平分别驱动对应的IGBT开通和关断。但区别于理想的矩形波，实际电路的波形总会存在极短的开关切换时间，导致产生极陡的上升沿和下降沿。开关切换产生的du／dt干扰传导到高压侧，并通过寄生电容耦合，形成共模电流。

对于驱动电机，定子绕组上产生的尖峰电压会对电机定子线圈、金属外壳、转子轴承之间的寄生电容充放电，通过相线、寄生电容和搭铁构成回路，形成另一形式的共模电流。共模传导干扰传播路径见图2。

图2 共模传导干扰传播路径图

2.2 逆变电路的差模传导干扰

逆变电路工作时，产生脉冲电流di／dt，通过相线、电源线和搭铁构成回路，最终形成差模干扰。差模传导干扰传播路径见图3。

2.3 直流母线和三相线的辐射干扰

当功率开关器件以高频率工作时，会产生很大的di／dt，其不仅会通过杂散电容产生干扰，而且作为一个电流变化率较大的单元，会变成辐射源，并通过直流母线和三相线以辐射的方式将电磁干扰传播到敏感设备上。一般功率开关器件的电压及功率等级越高，其工作时所产生的电磁场辐射越强，并且具有很宽的频谱［3］。

图3 差模传导干扰传播路径图

3 常用电磁干扰抑制措施

电磁干扰的抑制措施有：屏蔽、滤波和搭铁，这三大类措施包含了电磁兼容问题整改的大部分方法，经过电磁兼容相关技术多年的发展，相关经验也得到丰富［2］。但是，这些措施在产品开发后期验证阶段有工程化困难的问题，并且整改费用较前期设计阶段大幅增加，这也成为制约整改措施实施的主要困难。

4 展频时钟技术

展频时钟技术是通过将原本集中在单个频率点上的电磁能量，分配到邻近的频率区间上，从而降低了能量的集中性。如果是因为运行时钟频率产生的电磁辐射超标，则可应用展频时钟技术以降低其峰值的幅值。

4.1 展频时钟生成原理

展频时钟生成的典型原理框图如图4所示，其采用锁相环电路，展频时钟生成控制器内部集成的波形生成器根据设置生成调制波形并输出给N分离器，N分离器和相位比较器、低通滤波器、压控振荡器组成锁相环，并调谐压控振荡器以产生目标频率。

图4 展频时钟原理框图

4.2 展频时钟生成参数

展频时钟生成控制器需要4个关键参数以控制N分离器：①展频深度δ——定义频率扩展范围与原时钟频率的比值；②展频类型——分为向上展频、中心展频或向下展频；③调制率fm——定义为时钟频率扩展的周期，在该周期内时钟频率变化Δf并返回到原始时钟频率fc；④调制波形——分为三角波形或者“Hershey Kiss”波形，如图5所示。

图5 两种调制波形

4.3 展频时钟抑制率S的计算

当fsw＜＜fm＜＜fc时，EMI的抑制率S与调制率fm无关，其中fsw是频谱分析仪的扫描速度。综合展频时钟参数，如果采用中心展频，可以根据公式 （1）计算展频时钟的抑制率S：

式中：δ——展频深度；fc——原始时钟频率；B——频谱分析仪的分辨率带宽。

5 测试验证

以某纯电动汽车的EMC测试整改为例。该车在10m法暗室中依据GB／T 18387—2008标准进行EMC摸底测试。结果如图6所示，车速64km／h时，在车辆右侧X方向磁场16kHz频率处超标约3dB，同时在24kHz、32kHz等倍频点存在明显的较大尖峰，可判定存在以8kHz为基频的干扰。

图6 车速64km/h，磁场右侧X方向峰值测试结果

对比测试发现，如图7所示，车辆在无车速状态下，8kHz倍频干扰消失，且与各零件供应商核实，仅电机控制器的工作电路存在8kHz开关频率。通过多组不同工况的测试结果比对，最终确定由电机驱动系统电磁干扰导致磁场发射超标。

6 整改措施

定位问题零件后，尝试通过整改措施对干扰进行抑制。

首先，对电机控制器母线全包覆铜箔并进行良好搭铁以优化屏蔽效果。复测结果如图8所示，16kHz频率处辐射优化约5dB，说明高压线束的屏蔽处理对电机系统的低频辐射有一定效果，但是效果不明显，不能保证离限值有足够的裕量。

其次，在PCB上母线侧增加Y电容，使母线的共模电流对搭铁旁路。复测发现，辐射有稍微降低，但是仍然超标，说明增加母线Y电容对辐射有优化，但是效果不明显。

最后，应用展频时钟技术，已知9kHz～150kHz的频谱分析仪带宽B为200Hz，原始时钟频率fc为20MHz，设定展频深度为±0.0125%，展频类型采用中心展频，则可以根据公式（1）计算抑制率S为：

应用展频时钟技术后，复测结果如图9所示，16kHz频率处辐射干扰幅值下降了13dB左右，优化效果明显。

图7 车速0km/h，磁场右侧X方向峰值测试结果

图8 屏蔽措施应用测试结果

图9 展频时钟应用测试结果 （最终效果）

最终，采用展频时钟技术对电机驱动系统进行工程化整改，并使整车通过了GB／T 18387—2008测试。

7 结论

电动汽车因高压系统、低压系统的同时存在，电气化程度提高，电磁兼容环境复杂多变，导致对电磁兼容问题的分析和优化难度变高。在产品验证阶段，展频时钟具有低成本且可以保证时钟信号完整性、应对更宽频率范围内电磁干扰问题的优点，相比其它抑制措施，具有提供系统层面解决方案的优势，可以节省开发费用和验证时间，实践证明也能取得满意的整改效果。此外，在产品开发阶段，同步实施电磁兼容正向开发流程和方法，做到零部件级别的风险管控和测试，从而减少后期整车的测试和整改，不失为一种更好的思路。