純電動客車集成控制器電磁干擾抑制

張廣利， 楊泗鵬， 王志中， 陳玉兵， 喬理想

(鄭州宇通客車股份有限公司， 鄭州 450061)

為減小電動客車高壓系統(tǒng)的重量、體積，簡化高壓系統(tǒng)電氣連接，提高整車高壓安全，電動客車的高壓系統(tǒng)多采用集成式設(shè)計(jì)，將驅(qū)動電機(jī)控制器與電附件(轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器、空氣壓縮機(jī)控制器、DC/DC及高壓配電等)進(jìn)行集成。由于電機(jī)控制器內(nèi)部的IGBT及DC/DC的MOSFET在工作中高頻開通和關(guān)斷，會產(chǎn)生電磁干擾，影響集成控制器及整車其他電器設(shè)備的可靠性工作，因此研究集成式電機(jī)控制器的電磁干擾具有重要意義[1-2]。

1 電磁干擾分析

1.1 集成控制器概述

圖1所示為集成控制器框圖，系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)控制器、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器、空氣壓縮機(jī)控制器、DC/DC及高壓配電單元組成，為車輛提供動力、轉(zhuǎn)向助力、氣源、低壓供電。

1.2 電磁干擾源與耦合路徑

集成控制器采用PWM控制方式，IGBT的開關(guān)頻率一般達(dá)到4～8 kHz，MOSFET的開關(guān)頻率一般達(dá)到100～150 kHz。電動客車連接動力電池與集成控制器的直流母線線纜及控制器內(nèi)部的電路存在較大的寄生電感與雜散電感，導(dǎo)致IGBT及MOSFET高頻開關(guān)時產(chǎn)生很高的電壓尖峰，紋波電流的幅值很高，對外產(chǎn)生很高的電磁輻射[3-5]。另外，集成控制器內(nèi)部高壓配電部分使用較多的直流接觸器，接觸器的觸點(diǎn)開關(guān)在關(guān)斷瞬間，電流由幾百安培瞬間減小到零，由于接觸器的觸點(diǎn)開關(guān)多為電感線圈繞制而成，因此在接觸器關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生電壓脈沖，形成強(qiáng)烈的傳導(dǎo)性電磁干擾。

圖1 集成控制器系統(tǒng)框圖

2 電磁干擾抑制設(shè)計(jì)及測試

2.1 輻射干擾抑制

針對集成控制器的電磁輻射干擾，電磁屏蔽是最基本、最有效的措施，影響集成控制器電磁輻射屏蔽效果的因素主要有：機(jī)箱結(jié)構(gòu)、機(jī)箱屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性、接縫/孔的數(shù)量與縫隙/孔的大小。

1) 屏蔽機(jī)箱設(shè)計(jì)。集成控制器采用鋁材質(zhì)，通過壓鑄一體成形設(shè)計(jì)，減少控制器的接縫，減小接縫縫隙，并提高接縫平整性、連續(xù)性，減小接觸電阻，同時在機(jī)箱接縫處采用電磁密封材料，提高對電磁輻射的屏蔽性能[6-7]?？刂破鲀?nèi)部針對接觸器、IGBT、DC/DC采用獨(dú)立的隔離設(shè)計(jì)，在布置上增加控制器的干擾源與機(jī)箱接縫的距離，且用于控制器機(jī)箱的螺栓采用鍍錫處理，減小螺栓與控制器表面的接觸電阻，降低干擾源對外輻射。

2) 接口屏蔽設(shè)計(jì)?？刂破鳈C(jī)箱上的線束接口是影響控制器電磁輻射屏蔽效果的主要因素，一旦有導(dǎo)體穿過屏蔽機(jī)箱，其屏蔽效能將會減少90%以上。因此在控制器設(shè)計(jì)上必須對控制器的線束接口進(jìn)行屏蔽處理[8]。在集成控制器的接口線束設(shè)計(jì)上采用360°屏蔽方案，降低控制器通過導(dǎo)體接口對外輻射，如圖2所示。連接集成控制器與動力電池、驅(qū)動電機(jī)的高壓線束采用帶屏蔽層的線束，連接DC/DC與低壓蓄電池的線束，均采用壓接工藝將金屬屏蔽環(huán)壓接到線束屏蔽層上，再通過金屬鎖頭與控制器連接裝配。線束采用該工藝能夠更大程度增加線束屏蔽層屏蔽環(huán)的接觸面積，減小接觸電阻，更好地實(shí)現(xiàn)360°無縫屏蔽。

圖2 高壓線束360°屏蔽方案

2.2 傳導(dǎo)干擾抑制

傳導(dǎo)干擾分共模干擾和差模干擾2種，分析這2種干擾產(chǎn)生的原因、路徑，通過電路設(shè)計(jì)布局、濾波設(shè)計(jì)等方法等對集成控制器的傳導(dǎo)干擾進(jìn)行抑制。

1) 電路設(shè)計(jì)與布局。在控制器電路設(shè)計(jì)上，遵循電流回路面積最小、帶電導(dǎo)體長度最短2個原則。如圖3所示，在電路設(shè)計(jì)中不可避免會存在多個電流回路，每個電流回路可等效為一個感應(yīng)線圈，當(dāng)某個回路中有電流流過時，另外一個回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生干擾。通過減小電流回路的面積，能夠有效降低干擾能量的產(chǎn)生。因此在控制器電路與PCB設(shè)計(jì)上，做到盡量減少電流回路器件數(shù)量，且在PCB布局時盡量減小電流回路面積，另外集成控制器的高壓主回路設(shè)計(jì)也按照該原則進(jìn)行。集成控制器由多個功能模塊集成設(shè)計(jì)，內(nèi)部線束連接復(fù)雜，線束構(gòu)成傳導(dǎo)干擾的主要路徑。因此在控制器的線束布置上對線束進(jìn)行分類，按照電壓等級、信號形式將線束分為高壓線束、低壓電源線束、低壓數(shù)字信號線束、低壓模擬信號線束，同時在控制器機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上為各類線束設(shè)計(jì)獨(dú)立的線槽，實(shí)現(xiàn)線束隔離布置，并依據(jù)線束走線長度最短的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)[9-10]。

圖3 電路回路示意圖

2) 濾波器設(shè)計(jì)。為了得出集成控制器的主要干擾特性，通過對控制器的電磁干擾進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)與電機(jī)控制相關(guān)的干擾比較突出的頻段為20～30 MHz，與DC/DC干擾相關(guān)的基頻頻段為200 kHz，諧波頻率分別為200 kHz、400 kHz、600 kHz等。針對控制器的干擾特性，通過濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行干擾抑制。圖4為DC/DC濾波設(shè)計(jì)，其中L1=L2=959 uH，C1=C2=3 300 pf，通過測試200 kHz頻段干擾從75 dB降低到50 dB，600 kHz頻段干擾從52 dB降低到20 dB，由DC/DC產(chǎn)生的干擾抑制效果顯著。對電機(jī)控制器20～30 MHz頻段的干擾，采用類似的方法進(jìn)行抑制[11-13]。

圖4 DC/DC濾波設(shè)計(jì)

3) 高壓線束輸出增加磁環(huán)。采用磁環(huán)與控制器的結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)，在控制器的直流母線線束接口，驅(qū)動電機(jī)控制器U、V、W三相輸出接口，DC/DC輸出接口等處設(shè)置磁環(huán)，對控制器150 kHz～1 MHz范圍內(nèi)的干擾進(jìn)行抑制。圖5為磁環(huán)在控制器上的裝配。

圖5 控制器磁環(huán)設(shè)計(jì)示意圖

2.3 集成控制器電磁干擾測試

采用以上電磁干擾抑制措施，按照GB/T 18655—2010采用電壓法對集成控制器進(jìn)行輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射測試，結(jié)果達(dá)到等級三限值要求[14]，如圖6和圖7所示。

圖6 輻射干擾測試

圖7 傳導(dǎo)干擾測試

3 結(jié)束語

指出了集成控制器電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理，從屏蔽機(jī)箱、線束接口屏蔽、電路設(shè)計(jì)與布局、濾波器設(shè)計(jì)、磁環(huán)應(yīng)用等方面給出了集成控制器電磁干擾抑制的設(shè)計(jì)方法與要點(diǎn)。經(jīng)過測試，控制器的電磁干擾對外發(fā)射達(dá)到等級三限值要求[13]，證明這些措施對電動客車用集成控制器電磁干擾具有顯著的抑制效果。