1. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁兼容性分析

1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的干擾源分析

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主要干擾源是功率開關(guān)器件的開關(guān)動(dòng)作，目前車用硅基 IGBT 的工作頻率一般為10kH，同時(shí)由于電路中雜散電感等寄生參數(shù)的存在，IGBT 在開通和關(guān)斷 瞬間會(huì)產(chǎn)生較高的du/dt 和 di/dt，如圖 1(b)所示某款純電動(dòng)汽車用IGBT 模塊工作過(guò)程中產(chǎn)生的 du/dt≈3840V/us，di/dt≈2145A/us，這勢(shì)必將在電機(jī)驅(qū)動(dòng)回路中產(chǎn)生頻譜范圍廣闊的EMI騷擾， 某款電機(jī)電控系統(tǒng)的原始狀態(tài) AM 頻段輻射發(fā)射測(cè)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(yán)重。

(a) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路

(b) IGBT 雙脈沖試驗(yàn)結(jié)果

圖 1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主要干擾源分析

圖 2 電機(jī)及其控制器 AM 頻段測(cè)試結(jié)果

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) EMI 問題的難點(diǎn)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(guò)散熱片與機(jī)殼之間的分布電容 C1 傳導(dǎo)至參考地平面， 另外一條是共模電流Icom1/Icom2/Icom1 通過(guò)電機(jī)繞組之后， 由電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的寄生電容 C2 及機(jī)殼與參考地之間的分布電容 C3 構(gòu)成流通回路。

圖 3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共模干擾路徑分析

受脈沖上升時(shí)間、電纜參數(shù)、感應(yīng)電機(jī)等效阻抗等因素的影響， 共模電流在從控制器流向電機(jī)繞組時(shí)會(huì)出現(xiàn)阻抗不匹配引起的反射， 進(jìn)而使電機(jī)端電壓在電 平轉(zhuǎn)換瞬間出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)沖現(xiàn)象 （瞬時(shí)過(guò)電壓）， 而且數(shù)值最大時(shí)可以達(dá)到逆變器相電壓的 2 倍[5]，有可能加劇電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 EMI 騷擾。本文基于實(shí)際工程運(yùn)用， 提出在電機(jī)控制器輸出三相電端添加共模磁環(huán)的方式來(lái)抑制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 EMI 發(fā)射水平。

2 磁環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

為了通過(guò)阻斷電機(jī)控制器與電機(jī)之間騷擾傳播路徑的方式來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng) AM 頻段的騷擾水平，設(shè)計(jì)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(dǎo)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(diǎn)， 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(guò)高溫退火以及橫磁場(chǎng)處理而成，再將處理過(guò)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(jī)控制器三相輸出的銅排端， 結(jié)構(gòu)方面具有體積小、占用高度小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；電氣方面具有高電感量、高磁導(dǎo)率、高飽和磁通密度、銅損小、居里溫度高等突出優(yōu)點(diǎn)，完全滿足 QC/T 413-2002、GB/T 2423.5-1995 震動(dòng)沖擊的標(biāo)準(zhǔn)。

磁環(huán)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示， 該磁環(huán)用 M6 的螺釘鎖緊到電機(jī)控制器的殼體內(nèi)壁上， 三相輸出的銅排從磁環(huán)的三個(gè)孔穿過(guò)，該結(jié)構(gòu)使三相有效的隔離開來(lái)，加強(qiáng)了三相之間相對(duì)爬電距離。

（a）三維圖

（b）外形圖

（c）安裝示意圖

圖 5 磁環(huán)結(jié)構(gòu)

由于電機(jī)為感性器件， 原設(shè)計(jì)中電機(jī)控制器端未設(shè)置感性匹配，導(dǎo)致高頻干擾由電機(jī)端進(jìn)行反射，加大了線纜輻射干擾的嚴(yán)酷程度（如圖 2 所示）。本文設(shè)計(jì)的三項(xiàng)濾波磁環(huán)等效為一個(gè)低通濾波器，與電機(jī)感性匹配，將干擾抑制在電機(jī)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(dá)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(cè)試結(jié)果對(duì)比， 圖中綠色和藍(lán)色曲線為未加磁環(huán)測(cè)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(cè)得的輻射騷擾曲線。通過(guò)對(duì)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(dá) 10dB。

圖 6 AM 頻段輻射騷擾對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析指出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共模電流流通路徑，從抑制逆變器-電機(jī)的騷擾傳播路徑出發(fā)， 設(shè)計(jì)了一種安裝在電機(jī)控制器三相電輸出端口的納米晶材質(zhì)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(jī)控制器在工作時(shí)產(chǎn)生的輻射發(fā)射的 強(qiáng)度， 提高了 整車的EMC 設(shè)計(jì)可靠性，為工程設(shè)計(jì)降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體輻射騷擾提供了思路。

然而在實(shí)際應(yīng)用中， 三相磁環(huán)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)不同的參數(shù)指標(biāo)， 具有普適性的共模磁環(huán)方案有待進(jìn)一步研究。