从电机控制器

摘要

由于高功率、高开关速度的工作特性，电机驱动系统已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是控制器-电机系统电磁兼容性设计的难点。根据工程实际应用，设计了一种在电机控制器输出三相端添加共模磁环的方法，以抑制系统的电磁干扰等级。通过测试验证这一措施可以有效地减少 10dB 电磁干扰。

引言

随着近年来能源安全和低碳经济的倡导，新能源汽车蓬勃发展。DC/DC、OBC、电机控制器-电机系统 动力电池构成了电动汽车的主要高压结构。随着车载高压部件功率密度的不断提高和开关设备开关速度的加快，电动汽车的电磁兼容性问题比传统汽车更加严重。

在控制器-电机系统中，高压电驱动模块通过三相线/三相铜排将干扰传输到电机， 造成电机轴电压、轴电流、共模电流（漏电流）过大等负面问题，电磁干扰会严重影响其他部件甚至车辆的正常运行， 电机控制器三相输出端必须通过有效的滤波设计 EMI 进行抑制。对减少电机驱动系统的电磁干扰进行了大量的研究，主要包括直流母线输入滤波器[1]、四桥臂逆变器[2]、控制器输出三相线端口滤波器电路设计[3]，但直流母线输入滤波器不能很好地解决电机控制器对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需要进一步探索和实施成本和工程。基于工程实践，设计了在电机驱动系统三相输出端添加共模磁环的方案，以抑制电源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设备的开关动作。目前，车用硅基 IGBT 由于电路中杂散电感等寄生参数的存在，工作频率一般为10kH，IGBT 开关 瞬间会产生更高的du//dt 和 di/dt，如图 1(b)所示纯电动汽车IGBT 模块工作过程中产生的 du/dt≈3840V/us，di/dt≈2145A/us，这必然会在电机驱动电路中产生广泛频谱的EMI骚扰， 电机电控系统的原始状态 AM 频段辐射发射试验数据如图所示 2 从图中可以看出，3MHz处的骚扰特别严重。

(a) 电机驱动系统简化电路

(b) IGBT 双脉冲试验结果

图 1 分析电机驱动电路的主要干扰源

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输路径分析

du/dt 和 di/dt 在路径中传播噪声引起的共模干扰是电机驱动系统 EMI 问题的难点在于[4]。如图 3 共模电流的主要流通路径有两条， 一条是从 IGBT 通过散热器和外壳之间的分布电容，逆变模块 C1 传输到参考地平面， 另一种是共模电流Icom1/Icom2/Icom1 电机绕组后， 寄生电容器在电机定转子之间 C2 以及外壳与参考地点之间的分布电容 C3 构成流通回路。

图 3 电机驱动系统共模干扰路径分析

受脉冲上升时间、电缆参数、感应电机等效阻抗等因素影响， 当共模电流从控制器流向电机绕组时，会出现阻抗不匹配引起的反射， 然后使电机端电压在电压下 平转换瞬间出现瞬时过冲现象 (瞬时过电压)， 当数值最大时，逆变器相电压可以达到 2 倍[5]，有可能加剧电机驱动系统 EMI 骚扰。本文以实际工程应用为基础， 为了抑制电机驱动系统，提出在电机控制器输出三相电端添加共模磁环的方法 EMI 发射水平。本文以实际工程应用为基础， 建议在电机控制器输出三相电端添加共模磁环，以抑制电机驱动系统 EMI 发射水平。 

2 磁环优化设计分析

为了阻断电机控制器与电机之间的骚扰传输路径，减少整个系统 AM 该频段的骚扰水平设计了安装在逆变器三相输出端的共模磁环，磁环的安装位置如图所示 4 所示。

三相滤波磁环采用纳米晶材料， 纳米晶体具有磁导率高、磁通密度高、损耗小、居中温度高、工作磁感高等优点， 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

磁环采用厚度 21μm 纳米晶体磁芯绕成跑道型，经过高温退火和水平磁场处理，然后安装处理后的磁芯 PBT 在外壳中，用硅胶密封。磁环安装在电机控制器三相输出的铜排端， 结构具有体积小、占用高度小、安装方便等优点；电气具有电感高、磁导率高、饱和磁通密度高、铜损小、室内温度高等突出优点 QC/T 413-2002、GB/T 2423.5-1995 振动冲击标准。

磁环结构如图所示 5 所示， 该磁环用 M6 螺钉锁定在电机控制器壳体内壁上， 三相输出的铜排穿过磁环的三个孔，有效隔离三相，增强三相之间的相对爬电距离。

（a）三维图

（b）外形图

（c）安装示意图

图 5 磁环结构

因为电机是感性器件， 在原设计中，电机控制器端没有设置感性匹配，导致电机端反射高频干扰，增加了电缆辐射干扰的严重性（如图所示 2 所示）。本文设计的三个滤波磁环等效为低通滤波器，与电机感性匹配，将干扰抑制在电机控制器内部，从而减少骚扰电流通过的电路环路面积， 降低系统 EMI 骚扰水平的目的。如图 6 纳米晶三相共模磁环安装后所示 AM 对比频段辐射发射试验结果， 图中的绿色和蓝色曲线是未经磁环测量的辐射骚扰曲线， 红黑曲线是添加三相纳米晶滤波磁环后测得的辐射骚扰曲线。通过对比可以看出，三相磁环的使用是辐射骚扰 400kHz 以上明显减少，最高可达 10dB。

图 6 AM 频带辐射骚扰对比图

3 结束语

本文通过理论分析，从抑制逆变器-电机的骚扰传播路径出发，指出了电机驱动系统的共模电流流通路径， 设计了安装在电机控制器三相电输出端口的纳米晶体磁环。共模磁环的引入减少了共模电流的流通环路面积， 从而有效地抑制电机控制器在工作时产生的辐射 强度， 提高了 整车EMC 设计可靠性为减少电机驱动系统整体辐射骚扰提供了思路。

但在实际应用中， 三相磁环的设计需要根据不同的电机驱动系统设计不同的参数指标， 共模磁环方案的普遍性有待进一步研究。

作者：尹卓、李东海、杨柳、江荣勋、苏伟、陈国奇（北京新能源汽车有限公司）

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器电容器研究[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. 研究了电动汽车电机驱动系统的传导干扰建模和抑制方法[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.