王福堅，謝佶宏，趙小羽，韋 勇，沈 陽

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545001）

近年來，隨著國家政策的鼓勵，電動汽車憑借低碳出行的特性獲得了大眾的青睞，同時促進電動汽車行業(yè)得到蓬勃發(fā)展。伴隨電動汽車的發(fā)展，其電磁兼容性能也備受關注。電機驅動系統(tǒng)作為電動汽車的關鍵零部件，因內部包含功率變換器件，其工作時高電壓、大電流瞬變的工作特性，使得電機驅動系統(tǒng)成為電動汽車的主要干擾源之一。為了避免其他車載零部件因被電磁干擾導致無法工作，需要對電機驅動系統(tǒng)的EMC優(yōu)化方法進行研究，從而提高電動汽車的可靠性和安全性。

1 電機驅動系統(tǒng)原理

典型的電機驅動系統(tǒng)主要由控制電路、隔離驅動電路、逆變電路和驅動電機組成，其中控制電路可以細分為開關電源、主控電路、檢測電路和保護電路等幾部分。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 電機驅動系統(tǒng)原理框圖

電機驅動系統(tǒng)在汽車上的工作原理如下：動力電池提供的直流電經濾波以后輸入給智能功率模塊 （IPM），由CPU產生的PWM信號經驅動電路控制IPM的開關動作，將輸入的母線直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，達到驅動電機旋轉的目的。其中，系統(tǒng)會采集驅動電機轉子的實時位置和三相線的實時電流，經一系列變換后反饋給CPU作為閉環(huán)信號。同時，當系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過流、過溫等問題時，保護電路判斷可以快速檢測并禁止PWM驅動信號，從而保證電機驅動系統(tǒng)和整車的安全。

2 電機驅動系統(tǒng)電磁干擾機理

根據電機驅動系統(tǒng)的原理可以分析其電磁干擾機理［1］。逆變電路產生的PWM驅動信號除了基波，還含有復雜的高次諧波。除了控制電路的高頻時鐘信號、逆變電路的功率變換信號，系統(tǒng)不同電路中的非線性元件、雜散電容和電感也是產生高次諧波的主要原因。根據電磁兼容問題產生的三要素：干擾源、傳播路徑、敏感設備，需要從干擾源和傳播路徑兩個方面來分析電機驅動系統(tǒng)的電磁干擾產生原因。

2.1 逆變電路的共模傳導干擾

對于逆變電路，其驅動信號是經PWM調制的矩形波，高、低電平分別驅動對應的IGBT開通和關斷。但區(qū)別于理想的矩形波，實際電路的波形總會存在極短的開關切換時間，導致產生極陡的上升沿和下降沿。開關切換產生的du／dt干擾傳導到高壓側，并通過寄生電容耦合，形成共模電流。

對于驅動電機，定子繞組上產生的尖峰電壓會對電機定子線圈、金屬外殼、轉子軸承之間的寄生電容充放電，通過相線、寄生電容和搭鐵構成回路，形成另一形式的共模電流。共模傳導干擾傳播路徑見圖2。

圖2 共模傳導干擾傳播路徑圖

2.2 逆變電路的差模傳導干擾

逆變電路工作時，產生脈沖電流di／dt，通過相線、電源線和搭鐵構成回路，最終形成差模干擾。差模傳導干擾傳播路徑見圖3。

2.3 直流母線和三相線的輻射干擾

當功率開關器件以高頻率工作時，會產生很大的di／dt，其不僅會通過雜散電容產生干擾，而且作為一個電流變化率較大的單元，會變成輻射源，并通過直流母線和三相線以輻射的方式將電磁干擾傳播到敏感設備上。一般功率開關器件的電壓及功率等級越高，其工作時所產生的電磁場輻射越強，并且具有很寬的頻譜［3］。

圖3 差模傳導干擾傳播路徑圖

3 常用電磁干擾抑制措施

電磁干擾的抑制措施有：屏蔽、濾波和搭鐵，這三大類措施包含了電磁兼容問題整改的大部分方法，經過電磁兼容相關技術多年的發(fā)展，相關經驗也得到豐富［2］。但是，這些措施在產品開發(fā)后期驗證階段有工程化困難的問題，并且整改費用較前期設計階段大幅增加，這也成為制約整改措施實施的主要困難。

4 展頻時鐘技術

展頻時鐘技術是通過將原本集中在單個頻率點上的電磁能量，分配到鄰近的頻率區(qū)間上，從而降低了能量的集中性。如果是因為運行時鐘頻率產生的電磁輻射超標，則可應用展頻時鐘技術以降低其峰值的幅值。

4.1 展頻時鐘生成原理

展頻時鐘生成的典型原理框圖如圖4所示，其采用鎖相環(huán)電路，展頻時鐘生成控制器內部集成的波形生成器根據設置生成調制波形并輸出給N分離器，N分離器和相位比較器、低通濾波器、壓控振蕩器組成鎖相環(huán)，并調諧壓控振蕩器以產生目標頻率。

圖4 展頻時鐘原理框圖

4.2 展頻時鐘生成參數

展頻時鐘生成控制器需要4個關鍵參數以控制N分離器：①展頻深度δ——定義頻率擴展范圍與原時鐘頻率的比值；②展頻類型——分為向上展頻、中心展頻或向下展頻；③調制率fm——定義為時鐘頻率擴展的周期，在該周期內時鐘頻率變化Δf并返回到原始時鐘頻率fc；④調制波形——分為三角波形或者“Hershey Kiss”波形，如圖5所示。

圖5 兩種調制波形

4.3 展頻時鐘抑制率S的計算

當fsw＜＜fm＜＜fc時，EMI的抑制率S與調制率fm無關，其中fsw是頻譜分析儀的掃描速度。綜合展頻時鐘參數，如果采用中心展頻，可以根據公式 （1）計算展頻時鐘的抑制率S：

式中：δ——展頻深度；fc——原始時鐘頻率；B——頻譜分析儀的分辨率帶寬。

5 測試驗證

以某純電動汽車的EMC測試整改為例。該車在10m法暗室中依據GB／T 18387—2008標準進行EMC摸底測試。結果如圖6所示，車速64km／h時，在車輛右側X方向磁場16kHz頻率處超標約3dB，同時在24kHz、32kHz等倍頻點存在明顯的較大尖峰，可判定存在以8kHz為基頻的干擾。

圖6 車速64km/h，磁場右側X方向峰值測試結果

對比測試發(fā)現(xiàn)，如圖7所示，車輛在無車速狀態(tài)下，8kHz倍頻干擾消失，且與各零件供應商核實，僅電機控制器的工作電路存在8kHz開關頻率。通過多組不同工況的測試結果比對，最終確定由電機驅動系統(tǒng)電磁干擾導致磁場發(fā)射超標。

6 整改措施

定位問題零件后，嘗試通過整改措施對干擾進行抑制。

首先，對電機控制器母線全包覆銅箔并進行良好搭鐵以優(yōu)化屏蔽效果。復測結果如圖8所示，16kHz頻率處輻射優(yōu)化約5dB，說明高壓線束的屏蔽處理對電機系統(tǒng)的低頻輻射有一定效果，但是效果不明顯，不能保證離限值有足夠的裕量。

其次，在PCB上母線側增加Y電容，使母線的共模電流對搭鐵旁路。復測發(fā)現(xiàn)，輻射有稍微降低，但是仍然超標，說明增加母線Y電容對輻射有優(yōu)化，但是效果不明顯。

最后，應用展頻時鐘技術，已知9kHz～150kHz的頻譜分析儀帶寬B為200Hz，原始時鐘頻率fc為20MHz，設定展頻深度為±0.0125%，展頻類型采用中心展頻，則可以根據公式（1）計算抑制率S為：

應用展頻時鐘技術后，復測結果如圖9所示，16kHz頻率處輻射干擾幅值下降了13dB左右，優(yōu)化效果明顯。

圖7 車速0km/h，磁場右側X方向峰值測試結果

圖8 屏蔽措施應用測試結果

圖9 展頻時鐘應用測試結果 （最終效果）

最終，采用展頻時鐘技術對電機驅動系統(tǒng)進行工程化整改，并使整車通過了GB／T 18387—2008測試。

7 結論

電動汽車因高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)的同時存在，電氣化程度提高，電磁兼容環(huán)境復雜多變，導致對電磁兼容問題的分析和優(yōu)化難度變高。在產品驗證階段，展頻時鐘具有低成本且可以保證時鐘信號完整性、應對更寬頻率范圍內電磁干擾問題的優(yōu)點，相比其它抑制措施，具有提供系統(tǒng)層面解決方案的優(yōu)勢，可以節(jié)省開發(fā)費用和驗證時間，實踐證明也能取得滿意的整改效果。此外，在產品開發(fā)階段，同步實施電磁兼容正向開發(fā)流程和方法，做到零部件級別的風險管控和測試，從而減少后期整車的測試和整改，不失為一種更好的思路。