摘要
电机驱动系统因大功率、高开关速度的工作特性使其成为纯电动汽车的主要电磁干扰源之一，本文从电机控制器-电机耦合系统的共模电压产生机理分析入手，指出控制器与电机之间的三相连接处为控制器-电机系统电磁兼容设计的难点。基于工程实践应用，设计了一种在电机控制器输出三相端添加共模磁环的方式来抑制系统的电磁干扰等级。通过测试验证该措施最高可以有效降低 10dB 的电磁干扰。
引言
随着近年来能源安全、低碳经济的倡导，新能源汽车得到了蓬勃的发展。DC/DC、OBC、电机控制器-电机系统、 动力蓄电池构成了电动汽车的主要高压架构，随着车载高压部件功率密度的不断提高、开关器件的开关速度不断加快使电动汽车相较于传统汽车的电磁兼容问题更为严酷。
在控制器-电机系统中，高压电驱动模块通过三相线/三相铜排将干扰传导到电机， 造成电机轴电压、轴电流及共模电流（漏电流）过大等负面问题，由此引发的电磁干扰会对其它零部件乃至整车的正常工作产生严重影响， 必须通过有效的滤波设计对电机控制器三相输出端的 EMI 进行抑制。对于降低电机驱动系统的电磁干扰已经有大量相关研究，主要有直流母线输入滤波研究[1]、四桥臂逆变器[2]、控制器输出三相线端口滤波电路设计[3]，但是直流母线输入滤波不能很好地解决电机控制器到电机的传导和辐射干扰， 四桥臂逆变器和输出无源或有源滤波器在成本和工程方面还需进一步探索实施。本文基于工程实践，设计了一种在电机驱动系统三相输出端添加共模磁环的方案来抑制功率控制器耦合到电机的电磁干扰。
1. 电机驱动系统的电磁兼容性分析
1.1 电机驱动系统中的干扰源分析
电机驱动系统中的主要干扰源是功率开关器件的开关动作，目前车用硅基 IGBT 的工作频率一般为10kH，同时由于电路中杂散电感等寄生参数的存在，IGBT 在开通和关断 瞬间会产生较高的du/dt 和 di/dt，如图 1(b)所示某款纯电动汽车用IGBT 模块工作过程中产生的 du/dt≈3840V/us，di/dt≈2145A/us，这势必将在电机驱动回路中产生频谱范围广阔的EMI骚扰， 某款电机电控系统的原始状态 AM 频段辐射发射测试数据如图 2 所示，从图中可以看出在3MHz处的骚扰尤为严重。
(a) 电机驱动系统简化电路
(b) IGBT 双脉冲试验结果
图 1 电机驱动电路的主要干扰源分析
图 2 电机及其控制器 AM 频段测试结果
1.2 电机驱动系统中的干扰传播路径分析
du/dt 和 di/dt 引起的噪声在路径中传播产生的共模干扰是电机驱动系统 EMI 问题的难点所在[4]。如图 3 所示共模电流的主要流通路径有两条， 一条是从 IGBT 逆变模块通过散热片与机壳之间的分布电容 C1 传导至参考地平面， 另外一条是共模电流Icom1/Icom2/Icom1 通过电机绕组之后， 由电机定转子之间的寄生电容 C2 及机壳与参考地之间的分布电容 C3 构成流通回路。
图 3 电机驱动系统的共模干扰路径分析
受脉冲上升时间、电缆参数、感应电机等效阻抗等因素的影响， 共模电流在从控制器流向电机绕组时会出现阻抗不匹配引起的反射， 进而使电机端电压在电 平转换瞬间出现瞬时过冲现象 （瞬时过电压）， 而且数值最大时可以达到逆变器相电压的 2 倍[5]，有可能加剧电机驱动系统的 EMI 骚扰。本文基于实际工程运用， 提出在电机控制器输出三相电端添加共模磁环的方式来抑制电机驱动系统的 EMI 发射水平。
2 磁环优化设计分析
为了通过阻断电机控制器与电机之间骚扰传播路径的方式来降低整个系统 AM 频段的骚扰水平，设计了一种安装在逆变器三相输出端的共模磁环，磁环安装位置如图 4 所示。
该三相滤波磁环采用纳米晶材料， 纳米晶具有高磁导率、高饱和磁通密度、损耗小、高居里温度、高工作磁感等优点， 纳米晶材料的主要性能参数如表1所示。
图 4 磁环安装位置示意图
该磁环采用厚度 21μm 的纳米晶磁芯绕制成跑道型，经过高温退火以及横磁场处理而成，再将处理过的磁芯安装到 PBT 外壳中，灌封硅胶处理。该磁环安装在电机控制器三相输出的铜排端， 结构方面具有体积小、占用高度小、安装方便等优点；电气方面具有高电感量、高磁导率、高饱和磁通密度、铜损小、居里温度高等突出优点，完全满足 QC/T 413-2002、GB/T 2423.5-1995 震动冲击的标准。
磁环结构如图 5 所示， 该磁环用 M6 的螺钉锁紧到电机控制器的壳体内壁上， 三相输出的铜排从磁环的三个孔穿过，该结构使三相有效的隔离开来，加强了三相之间相对爬电距离。
（a）三维图
（b）外形图
（c）安装示意图
图 5 磁环结构
由于电机为感性器件， 原设计中电机控制器端未设置感性匹配，导致高频干扰由电机端进行反射，加大了线缆辐射干扰的严酷程度（如图 2 所示）。本文设计的三项滤波磁环等效为一个低通滤波器，与电机感性匹配，将干扰抑制在电机控制器内部，从而可以减小骚扰电流流经的电路环路面积， 达到降低系统 EMI 骚扰水平的目的。如图 6 所示为加装纳米晶三相共模磁环后的 AM 频段辐射发射测试结果对比， 图中绿色和蓝色曲线为未加磁环测得的辐射骚扰曲线， 红色和黑色曲线为添加三相纳米晶滤波磁环后测得的辐射骚扰曲线。通过对比可知三相磁环的使用使辐射骚扰在 400kHz 以上具有明显的降低，最高可达 10dB。
图 6 AM 频段辐射骚扰对比图
3 结束语
本文通过理论分析指出了电机驱动系统的共模电流流通路径，从抑制逆变器-电机的骚扰传播路径出发， 设计了一种安装在电机控制器三相电输出端口的纳米晶材质磁环。该共模磁环的引入减小了共模电流的流通环路面积， 从而有效的抑电机控制器在工作时产生的辐射发射的 强度， 提高了 整车的EMC 设计可靠性，为工程设计降低电机驱动系统整体辐射骚扰提供了思路。
然而在实际应用中， 三相磁环的设计需要根据不同的电机驱动系统来设计不同的参数指标， 具有普适性的共模磁环方案有待进一步研究。
作者：尹卓，李东海，杨柳，蒋荣勋，苏伟，陈国其（北京新能源汽车股份有限公司）
参考文献
[1] 郑胜敏, 吴森. 电动汽车交流调速电机变频器滤波电容器研究[C]// 中国内燃机学会第七届学术年会论文汇编.上海:中国内燃机学会, 2007.
[2] JULIAN A L, ORITI G, LIPO T A. Elimination of commonmode voltage in three -phase sinusoidal power converters[J].IEEE Transactions onPower Electronics, 1996, 2(5):982-989.
[3] 刘喆. 电动汽车电机驱动系统的传导干扰建模与抑制方法研究[D]. 重庆:重庆大学, 2015.
[4] BISHNOI H, MATTAVELLI P, BURGOS R, et al. EMIBehavioral Models of DC -Fed Three -Phase Motor DriveSystems [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014,29(9):4633-4645.
[5] JOUANNE A V, ENJETI P, GRAY W. Application issues forPWM adjustable speed AC motor drives [J]. IEEE IndustryApplications Magazine, 1996, 2(5):10-18.
原文标题 : 纯电动汽车电机驱动系统三相线滤波磁环设计
相关推荐
-
尺寸减小28%，罗姆面向xEV逆变器推出“二合一”SiC封装模块
碳化硅（SiC）作为一种宽禁带半导体材料，在高功率、高电压、高频率的应用场景下具有显著优势，其在xEV（包括纯电动汽车BEV和插电式混合动力汽车PHEV）上的应用规模快速增长。根据Yole Intel
-
分布式光伏逆变器的特点有哪些？
分布式光伏逆变器是一种用于太阳能光伏发电系统的逆变器，用于将光伏电池板所产生的直流电转换为交流电。这种逆变器通常直接安装在太阳能电池板的附近，以便直接将发电的电能转化为可用的交流电，供给家庭或商业用电
-
纯电动汽车的电池管理系统与整车控制系统
纯电动汽车的整车控制系统和电池管理系统是车辆中两个至关重要的系统，它们分别承担着不同的功能。一、纯电动汽车电池管理系统纯电动汽车的电池管理系统（BMS）是一种用于管理和监控电动车辆电池组的关键系统，是纯电动汽车的关键组成部分，用于监控、管理和保护电池组的正常运行
-
光伏电站系统集成是什么？包括哪些方面？
光伏电站系统集成是指将各种组件和子系统组合在一起以构建完整的光伏电站系统的过程。这个过程涉及到设计、工程、采购、建设和运维等方面，旨在实现光伏电站的高效运行和可靠性。光伏电站系统集成包括以下方面：设计和工程：根据电站的规模、地理条件和电网接入要求等，对光伏电站进行整体设计和工程规划
-
光伏逆变器的工作原理和保护功能详解
光伏逆变器是一种电力电子设备，用于将光伏电池板产生的直流电转化为交流电，以便连接到电网或使用在现场。由于太阳能电池板产生的电流和电压是直流的，无法满足电网或一些交流负载的需求，因此光伏逆变器在太阳能光伏系统中起着至关重要的作用
-
纯电动汽车和混合动力汽车有哪些优缺点和区别？
目前，新能源汽车主要分混合动力汽车和纯电动汽车两种，那么，那么这两种车型都有哪些优缺点？现在买纯电动汽车好还是买混合动力汽车好呢？下面一起来看看！纯电动汽车和混合动力汽车都有各自的优缺点，需要根据具体用途和需求来选择
-
【WE课堂】@光伏人 这些行业黑话你都知道么？
每个行业都有自己的“黑话”，对照以下词汇来测一测你对光伏行业的了解程度吧～1?逆变器相关参数额定输出电压：在规定的输入电源条件下，输出额定电流时，逆变器应输出的额定电压值。（电压波动范围：：单相 220V±5％，三相 380±5％
-
户用储能系统产品的类型有哪些？
户用光储系统的核心为光伏+电池+储能逆变器。户用储能与户用光伏搭配成户用光储系统，光储系统主要包括电芯、储能逆变器（双向变流器）、组件系统等多个部分。户用储能系统产品一般包括一体机（家庭式光伏储能逆变一体机）和分体式（逆变器+电池系统）两种
-
简述光伏逆变器在太阳能光伏发电系统中的作用
逆变器是一种将直流电转换为交流电的设备。太阳能电池在日光下会产生直流电，存储在蓄电池中的也是直流电，但是直流电供电系统具有很大的局限性，日常生活中的荧光灯，电视，冰箱，电风扇等交流负载不能由直流电源供电
