电动汽车电驱动理论与设计-08- 驱动系统电磁兼容

电动汽车电驱动系统理论与设计,王志福北京理工大学电动车辆国家工程wangzhifuQQ：13702447,第八章驱动系统电磁兼容,电磁兼容基本概念与术语电机驱动系统电磁骚扰源电驱动系统电磁骚扰发生机理新能源汽车的车载电磁骚扰源电驱动系统控制电路电磁兼容屏蔽滤波,第一章电磁兼容导论,电磁兼容是一门新兴的综合性学科不仅仅限于电气电子设备，拓宽到自然干扰源、核电磁脉冲、静电放电；频谱管理工程；电磁辐射对人体的生态效应；信息处理设备电磁泄露产生的失密；检测地震前的电磁辐射，进行震前预防等。内容十分广泛，实用性很强，几乎所有的现代工业包括航天、军工、电力、通信、交通、计算机、医疗卫生都必须解决电磁兼容问题。电磁兼容问题是系统可靠运行的关键性问题！,电磁兼容基本概念与术语,所谓电磁兼容（ElectroMagneticCompatibility，EMC）是指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述设备都能正常工作又互不干扰，达到兼容状态。该表述包含两方面的含义：（1）设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；（2）它也不会使同一电磁环境中其它设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。国际电工技术委员会（IEC）对电磁兼容性的定义为：电磁兼容性是设备的一种能力，它在其电磁环境中能完成自身的功能，且不在其环境中产生不允许的干扰。,电机驱动系统电磁骚扰源,电磁骚扰分类,1.电磁骚扰按传播形式分类：可以分为传导骚扰和辐射骚扰，通过导体传播的电磁骚扰，叫传导骚扰；通过空间传播的电磁骚扰，叫辐射骚扰。2.按频谱分类：可以分为工频骚扰、甚低频骚扰、载频干扰、射频、视频骚扰、微波骚扰。3.按骚扰源性质分类：分可以分为自然骚扰源和人为骚扰源，通常把人为骚扰源分为车外干扰源和车载干扰源。,电机驱动系统电磁骚扰源,电磁骚扰分类,电机驱动系统电磁骚扰源,自然骚扰源,5雷电噪声雷电是一种大气物理现象，它的强度很大，即使远离雷电区，其干扰场强仍相当可观，足够对电气、电子设备造成严重威胁，因此必须对雷电采取防护措施。6静电波形以及对车辆的影响静电是因为电子分布不平衡造成的一种客观存在的自然现象，是人或设备在低湿度环境下运动很容易产生的一种物理现象，即在运动的过程中吸取和释放静电。,电机驱动系统电磁骚扰源,车外骚扰源,1.输电线杂波高压输电线所产生的辐射骚扰有两种类型：间隙击穿和电晕放电。2.汽车杂波汽车杂波是产生甚高频（VHF）至特高频（UHF）频段城市杂波的主要原因3.接触杂波大体可分为接触器自身杂波及导体开合时放电而引起的杂波。4.电力机车杂波电力机车运行时，导电弓与电网间的放电也是人为杂波的根源之一。5.工业科学医疗用射频设备（ISM）杂波ISM（IndustrialScientificMedical）设备，即工业科学医疗用射频设备，是把50MHz交流通过射频振荡电路将工频变为射频的变频装置，用于工业感应、电介质加热、医疗电热法和外科手术工具以及超声波发生器、微波炉等6.城市杂波,电机驱动系统电磁骚扰源,车载骚扰源,1电感和电容组成的闭合回路形成振荡回路含有电感、电容和电阻的闭合回路，在外加电源的作用下某些工作频率上引起振荡，闭合回路中的电流可以产生传导干扰。在主开关管开关过程和整流二极管反向恢复过程中，电路的寄生电感、电容会发生高频振荡，以上这些都是电磁干扰的来源。开关电源中存在大量的分布电容，这些分布电容给电磁干扰的传递提供了通路,电机驱动系统电磁骚扰源,车载骚扰源,2发电机负载电流突变和整流相连的线束造成电器间彼此传导干扰；相邻的导线间会有感应干扰；因为天线效应，不相邻导体间又存在着辐射干扰。3汽车电器产生的干扰电磁波分传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰电磁波，是通过汽车线来直接输入无线电设备和电子设备内部的，而辐射干扰电磁波则是在空间传播，通过天线（如点火线高压线就相当于天线）输入无线电设备内部。4其他骚扰除了以上电器设备产生干扰电磁波外，传统汽车上启动机、闪光灯、触点式电磁振动电喇叭、雨刮器、仪表系统、空调启动器、燃油泵等也都会产生较小的传导干扰和辐射干扰。,电驱动系统电磁骚扰发生机理,放电噪声感性负载的瞬变,由于放电而产生噪声是最常见的现象，这时往往伴随着急剧的电流电压的瞬时变化，即d/d或d/d很大。在汽车使用的电子电气设备中，有许多导线、连接器、线圈及其他零件，他们具有不同的电容和电感，这些电容、电感一旦构成闭合回路，就构成了一个振动回路。放电主要包括暗流（无光）、辉光放电、火花放电以及弧光放电等现象。现代汽车电气系统内存在大量的感性负载，如各种电动机、电磁阀、继电器、电喇叭等，其线圈在开路瞬间，电流为零的瞬间，电感产生反电动势，其值为Ld/d。因此感性负载都有可能成为一种宽频谱、高能量的瞬变干扰源。当电感负载开关系统触点断开时，根据电感的特性可知，电感上的电流不能发生突变消失，为了维持这个电流，根据楞次定律可以知道该反向电动势E：,=dd=dd,电驱动系统电磁骚扰发生机理,功率电子瞬变,（一）功率二极管功率二极管是以PN结为基础的，实际上就是由一个面积较大的PN结和两端引线封装组成的。功率二极管可以被看作开关元件，它在正偏时短路、反偏时开路。在实际二极管开断过程中，二极管从一个状态转移到另一个状态不是瞬时的。功率二极管的开通过程如图8-8所示。二极管在它的关断操作中会发射电磁波。关断电压和关断电流曲线如图8-9所示。,电驱动系统电磁骚扰发生机理,功率电子瞬变,（二）可控硅可控硅和功率二极管一样，在接通及断开的过程中都要产生高频干扰。但与二极管相反，其高频噪声强度在开通时比在关断时要高得多。,电驱动系统电磁骚扰发生机理,功率电子瞬变,（三）功率晶体管功率晶体管作为大功率半导体开关在汽车电子系统中很多的应用，作为放大器，应用在电源串联调压电路，音频和超声波放大等领域。功率晶体管产生的干扰与可控硅产生的干扰相同.,电驱动系统电磁骚扰发生机理,反射现象,1空间发射波骚扰以电视信号的接收为例，接收机的天线除了接收到电视发射天线的直射波外，还可以接收到附近一些高大的建筑物发射的反射波。2.线路上的反射骚扰线路上由于阻抗不匹配也会引起发射。终端反射系数为任何信号的传输线（包括焊接线、电路板印制线、双绞线、带状电缆和同轴的电缆等），对一定频率的信号来说，都存在着一定的非纯电阻性的波阻抗，当信号通过这些阻抗不连续点时便发生“反射”现象，造成波形畸变，产生反射噪声。,电驱动系统电磁骚扰发生机理,现代汽车产生的典型的电磁骚扰源,（一）电动机1.绕组中突变磁场产生干扰或老化如果通过电动机线圈绕组的电流通路切断,则线圈中的磁场突然消失，线圈上会产生上百伏，甚至上千伏的瞬变过电压。瞬变过电压与负载的大小以及线路的阻抗有关。另一种瞬变过电压是在供电电流被突然切断时，线圈绕组中会产生电感性负载冲击，其瞬变电压大多表现为先后出现的高幅值的负向脉冲和低幅值的正向脉冲。2.换向器与电刷间的火花放电,电驱动系统电磁骚扰发生机理,现代汽车产生的典型的电磁骚扰源,（二）车用发电机1.车用发电机特点（1）工作转速范围宽发电机转速一般在100012000r/min之间，最高的近15000r/min。（2）负载变化范围大车辆在运行中，其用电电器的使用是根据需要而定的，随机性很大。（3）工作环境恶劣车用发电机都是装在发动机上的，发动机工作时有强烈的振动，无论公路行驶或其他作业场所，空气中都有很多的灰尘。环境温度变化范围也很大，随气候的变化而变化。,发电机在正常工作时，若负载突然减小或完全无负载，会引起发电机输出电流急剧下降，在发电机电枢绕组上产生正向瞬变过电压.,电驱动系统电磁骚扰发生机理,现代汽车产生的典型的电磁骚扰源,（二）车用发电机设R2为被抛的大负载，即R2、R1，I2、I1，则当开关K突然断开时，电路换路引起电流IL产生瞬变，即在负载R1上产生的过电压为在发电机电枢绕组上产生的感应电压为,电驱动系统电磁骚扰发生机理,现代汽车产生的典型的电磁骚扰源,（二）车用发电机1.车用发电机特点（三）继电器、电磁阀、触点开关故当用机械式开关、继电器、接触器等接通负载时，应当注意触点的振颤或跳动。触点第一次闭合后又跳开，再接触，有些触点甚至会跳动多次，从而使电路断续接通。当开关接通的是大电流负载时，触点间有可能引发火花放电，从而产生尖峰脉冲噪声。（四）电力电子器件由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件相比，它一般具有如下特征：1）电力电子器件所处理的电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。2）因为处理的电功率大，所以为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。,电驱动系统电磁骚扰发生机理,现代汽车产生的典型的电磁骚扰源,（二）车用发电机（四）电力电子器件常用电力电子器件的优缺点：GTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，是电流驱动型，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。GTO优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：开关频率低，关断时门极负脉冲电流大，驱动电路复杂，所需驱动功率大。电力MOSFET优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。IGBT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，输入阻抗高，通态压降较低，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO。,新能源汽车的车载电磁骚扰源,车用电机驱动系统,电动汽车驱动系统电磁兼容涉及的主要部件有蓄电池、逆变器、交流电缆及驱动电机等。驱动系统的电磁干扰主要是由传导性干扰与逆变器的共模辐射组成,新能源汽车的车载电磁骚扰源,车用电机驱动系统,新能源汽车的车载电磁骚扰源,车用电机驱动系统,电机驱动系统中的干扰源主要有：（1）驱动器中功率转换电路中的开关元件在开关过程中，大脉冲电流的切换引起磁的或电的干扰，这种干扰脉冲可以在电源线或地线中观察到。（2）交流电网负载突变（如电动机的起动、制动、各种电器的通断等）时，在负载突变处产生瞬变电压，其振幅可高于电源电压，而且前沿陡峭，频带很宽。（3）强电干扰，电机电流切换时，其di/dt很大，它不仅影响驱动电路，而且还会通过电源、地进入控制线路。,新能源汽车的车载电磁骚扰源,车用电机驱动系统,逆变器所处电磁环境中存在的电磁骚扰源主要有：1）高频开关器件快速通断形成大脉冲电流而引起的电磁干扰；2）供电电源的负载突变；3）系统内部及其周围的强电元件造成的强电干扰；4）电机电枢传输线与其它传输线间的电容性耦合和电感性耦合引起的干扰；5）由连续波干扰源等造成的空间辐射干扰。,新能源汽车的车载电磁骚扰源,车用电机驱动系统,（1）差模EMI,新能源汽车的车载电磁骚扰源,车用电机驱动系统,（1）共模EMI,新能源汽车的车载电磁骚扰源,总线系统,多能源管理系统中线缆为传导干扰传播的一个重要途径，所以线缆也成为多能源管理系统电磁骚扰的一个源。计算线缆的辐射强度时，将其等效为单极天线，其辐射强度由下式计算：,E=12.6*10-7fIL/r,新能源汽车的车载电磁骚扰源,DC/DC变换系统,DC/DC变换器降压型主电路分析图8-21为非隔离式、硬开关型的DC/DC变换器降压电路。在t=ton开通，图8-21中的电流is=i1，流过电感线圈L1，电流线性增加，在负载R上流过电流Io，两端输出电压Uout极性上正下负。当isI0时，电容在充电状态，这时D1承受反向电压；当由t=toff时，Z1关断，由于线圈中的磁场将改变线圈L1两端的电压极性，以保持其电流iL不变。负载R两端电压仍是上正下负。在isI0时，电容处在放电状态，有利于维持I0、Uo不变，这时D1承受正向偏压，为电流iL构成通路。,新能源汽车的车载电磁骚扰源,DC/DC变换系统,2.DC/DC变换器的电磁干扰分析（1）功率开关管的电压、电流尖峰干扰Z1导通时，开关管流过电流is，由于电路存在漏感，开关管关断瞬间，电路将在漏感上产生一个极大的感应电压UP以阻碍电流的突变，该电压将以浪涌电压的形式加在Z1上，产生电压尖峰。频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而会引起器件过热损坏。,新能源汽车的车载电磁骚扰源,DC/DC变换系统,（2）输入、输出传输线与其他传输线间的电容性耦合和电感性耦合引起的干扰变换器工作过程中，开关管两端存在很高的di/dt与du/dt，由于电压变化率和寄生电容之间的耦合影响，产生节点漏电流。（3）功率二极管D1引起的干扰变换器中二极管由导通转变为截止时由于关断的时间很短，容易产生反向电流的浪涌。二极管的关断波形如图8-23所示。,电驱动系统控制电路电磁兼容,控制电路PCB的电磁兼容设计,靠近的电线和电缆之间的串扰是由电场通过互容，磁场通过互感引起的。在考虑线间串扰问题时，最重要的是要确定电场耦合和磁场耦合哪个是主要的。对线路阻抗来说，大致的原则如下。(1)当源阻抗和接收器阻抗乘积小于300(2)时，主要是磁场耦合；(2)当源阻抗和接收器阻抗乘积大于1000(2)时，主要是电场耦合；(3)当源阻抗和接收器阻抗乘积在3001000(2)之间时，取决于线路间的配置和频率。,电驱动系统控制电路电磁兼容,印制电路板布局,考虑元器件的布局主要是减小设备内部各元器件骚扰的互相影响和配线的合理性，作为一般的原则，主要有：产生骚扰的元器件和敏感元件要尽量分开。低电平级和高电平级的元器件，低功率级和高功率级的元器件，应按输入和输出方向顺序排列。尽量减小元器件之间的电容耦合、电感耦合：引线要短，避免长距离平行走线；产生变化磁通的元器件要尽量避免对其他元器件和回路产生骚扰。非辐射元器件或同一级中的元器件，应尽量靠近，以减小公共地阻抗耦合，使用较大的地平面以减小地线阻抗。尽量减小电流回路的面积，即减小辐射回路面积或接受回路面积。留一定的空间以便对一些器件采取屏蔽措施。例如继电器、线圈等产生辐射骚扰的器件，高频头等敏感元件。I/O驱动器件、功率放大器件、发热器件要尽量要分布在PCB板外缘，靠近引出接插件，且周围要留有足够的散热面积。,电驱动系统控制电路电磁兼容,印制电路板布局,尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。对于可调元件的布局应考虑整机的结构要求。应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200150mm时，应考虑电路板的机械强度。,电驱动系统控制电路电磁兼容,印制电路板布线,印刷电路板布线的一般原则有：电源线的宽度要满足1.5倍电流容量要求，地线的宽度要满足2倍电流容量要求。强电之间，强弱电之间的爬电距离不小于2.5mm，小于时必须割槽，但也不能小于2mm。一般地，先布电源走线，再布信号走线。地线敷铜时不要留死铜，用多一些的过孔连接两面的敷设铜。地线，电源线尽量加粗，地线要布成环、网状，高、低速和模拟、数字地线分开一点接线。信号线不能交叉，要尽可能短和宽，以免增大电感。信号线的过孔要尽量少。信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小。导体距线路板边缘的距离要大于0.3mm。,电驱动系统控制电路电磁兼容,印制电路板布线,导线条弯角部分设计成圆角，可以防止铜箔剥落。或使用45度的折线布线，不要使用90度折线,以减小高频信号的发射。不同的电路尽量分别配线，尽量避免出现窄长的平行线，当不得不使用长平行线时，可用“0”线隔开，与Vcc电源线的间距应大于1mm.对于可能出现较大突变电流的电路，要有单独的接地回路，减小对其他电路的瞬态耦合。各线间应满足3W原则，即关键信号线与其他信号线之间的距离为线宽的3倍，大于或等于10mil。旁路电容的连接尽量不用引线，直接连接。对于高速数字电路，为了减小电源阻抗，可以采用电源分布总线。这种分布总线可以在很宽的频带内提供很低的阻抗。敏感信号线要远离输出信号线，输出信号线也要远离强辐射信号线。,屏蔽,电磁屏蔽的概念与分类,电磁屏蔽（electromagneticshield）就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。,屏蔽,静电、电磁、磁场屏蔽原,（一）静电屏蔽原理空腔导体（不论是否接地）的内部空间不受外电荷和电场的影响；接地的空腔导体，腔外空间不受腔内电荷和电场影响，这种现象称为静电屏蔽静电屏蔽分为外屏蔽和全屏蔽这里还须注意：（1）实际应用中金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果，虽然这种屏蔽并不是完全、彻底的。（2）在静电平衡时，接地线中是无电荷流动的，但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化，或者是壳外附近带电体的电荷随时间而变化，就会使接地线中有电流。屏蔽罩也可能出现剩余电荷，这时屏蔽作用又将是不完全和不彻底的。,屏蔽,静电、电磁、磁场屏蔽原,（二）电磁场屏蔽的原理电磁场屏蔽是对电场和磁场同时加以屏蔽，这也是我们一般意义上屏蔽的俗称。近场电屏蔽的一种方法就是在感应源与受感器之间加一接地良好的金属板，把感应源的寄生电容短接到地，通过抑制寄生电容耦合，达到电场屏蔽的目的。在远场中，由麦克斯韦方程，电场与磁场方向相互垂直，但相位相同，以电磁波的形式在空间向四方辐射能量。屏蔽体对辐射干扰的抑制能力用屏蔽效能SE（ShieldingEffectiveness）来衡量，屏蔽效能的定义:没有屏蔽体时，从辐射干扰源传输到空间某一点(P)的场强和加入屏蔽体后，辐射干扰源传输到空间同一点(P)的场强的比值,屏蔽,静电、电磁、磁场屏蔽原,（二）电磁场屏蔽的原理,滤波,滤波器的特性与分类,滤波器的主要特性参数有额定电压、额定电流、频率特性、输入输出阻抗、插入损耗以及传输频率特性等。描述滤波器性能的最主要参数是插入损耗，插入损耗的大小随工作频率不同而改变。插入损耗的定义是滤波器的种类很多，从不同的角度，有不同的分类方法。按照滤波原理，可分为反射式滤波器和吸收式滤波器。按照工作条件，可分为无源滤波器和有源滤波器。按照频率特性，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。按照使用场合，可分为电源滤波器、信号滤波器、控制线滤波器、防电磁脉冲滤波器、防电磁信息泄露专用滤波器、印制电路板专用微型滤波器等。,in=20log12,滤波,反射式滤波器,反射式滤波器通常由电抗元件如电感和电容组合构成（理想情况下，这些元件是无耗的），使在滤波器的通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗，而在滤波器的阻带内提供大的串联阻抗和小的并联阻抗。1.低通滤波器低通滤波器是指低频通过、高频衰减的一种滤波器。低通滤波器按其电路形式又可分为并联电容滤波器、串联电感滤波器及L型、型滤波器等。2.高通滤波器特别是这种滤波器一直被用于从信号通道上滤除交流电流频率或抑制特定的低频外界信号。3.带通滤波器带通滤波器是对通带之外的高频及低频干扰能量进行衰减，其基本构成方法是由低通滤波器经过转换而成为带通滤波器。4.带阻滤波器带阻滤波器是指用于特定窄频带（在此频带内可能产生电磁干扰）内的能量进行衰减的一种滤波器,滤波,滤波器的特性与分类,滤波器的主要特性参数有额定电压、额定电流、频率特性、输入输出阻抗、插入损耗以及传输频率特性等。描述滤波器性能的最主要参数是插入损耗，插入损耗的大小随工作频率不同而改变。插入损耗的定义是,滤波,滤波器的特性与分类,滤波器的主要特性参数有额定电压、额定电流、频率特性、输入输出阻抗、插入损耗以及传输频率特性等。描述滤波器性能的最主要参数是插入损耗，插入损耗的大小随工作频率不同而改变。插入损耗的定义是,滤波,吸收式滤波器,吸收式滤波器的原理是将不希望有的干扰频率成分的能量损耗在滤波器内（使之转化为热能），而不是反射回去，因此这种滤波器又称为有（损）耗滤波器。1.有损耗滤波器其基本原理是选用具有高损耗系数或高损耗角正切的电介质，把高频电磁能量转换成热能。2.有源滤波器（1）模拟电感线圈的频率特性，给干扰信号一个高阻抗电路，称作有源电感滤波器。（2）模拟电容器的频率特性