汽車(chē)直流散熱風(fēng)扇電磁干擾測(cè)試分析與優(yōu)化

安素芹，賈 晉，吳小珊，龍 云，趙鶴鳴

（1.重慶理工大學(xué) 車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶清研理工電子技術(shù)有限公司，重慶 401329）

隨著汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電氣電子產(chǎn)品應(yīng)用在汽車(chē)上，使得汽車(chē)電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力電機(jī)的散熱風(fēng)扇作為車(chē)內(nèi)重要的電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）源，采用的有刷直流電機(jī)在工作過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)度較高且頻帶很寬的電磁干擾，干擾信號(hào)通過(guò)線(xiàn)纜耦合的傳導(dǎo)發(fā)射與輻射發(fā)射通常處于較高水平，對(duì)其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行造成顯著影響［1－2］，是導(dǎo)致零部件或整車(chē)無(wú)法通過(guò)相關(guān)電磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）法規(guī)的重要原因。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)車(chē)載電機(jī)的電磁干擾進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)X、Y電容分別對(duì)共模干擾、差模干擾產(chǎn)生抑制作用［3－4］，接地對(duì)于改善傳導(dǎo)干擾和輻射干擾效果較好［5］，濾波器是抑制傳導(dǎo)干擾的主要手段之一［6－7］。對(duì)于造價(jià)較低的車(chē)載小型直流電機(jī)不僅要根據(jù)干擾源特點(diǎn)不同采取不同的抑制方式，同時(shí)要平衡抑制措施的成本，因此對(duì)電磁干擾進(jìn)行預(yù)評(píng)估十分重要。

首先分析了一款汽車(chē)散熱風(fēng)扇的電磁干擾機(jī)理。電機(jī)的供電直流電流可分為差模電流分量與共模電流分量［8］，研究的有刷直流電機(jī)的共模電流分量是傳導(dǎo)與輻射發(fā)射的主要原因，并在測(cè)試中得到驗(yàn)證。為抑制這些共模電流分量，根據(jù)不同共模電容的阻抗特性設(shè)計(jì)了一種低成本的共模濾波電路，選擇合適的濾波阻抗是設(shè)計(jì)濾波電路的關(guān)鍵。最后按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［9－10］進(jìn)行測(cè)試，比較了濾波前后散熱風(fēng)扇的傳導(dǎo)與輻射發(fā)射水平。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的共模電容濾波電路能有效抑制該散熱風(fēng)扇電磁干擾集中頻段的傳導(dǎo)與輻射發(fā)射。提出的電磁干擾分析與優(yōu)化過(guò)程對(duì)車(chē)載直流有刷電機(jī)的電磁兼容研究具有參考意義，并具有一定的工程價(jià)值。

1 電磁干擾測(cè)試分析

1.1 基本機(jī)理分析

有刷直流電機(jī)主要由磁極、電流換向器、轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈和直流供電電源構(gòu)成，如圖1所示。供電電源發(fā)出的直流電流能通過(guò)電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。這種電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中存在的電流換向器與電刷使得汽車(chē)散熱風(fēng)扇產(chǎn)生顯著的電磁干擾［11］。本文研究的汽車(chē)散熱風(fēng)扇總成如圖2所示。

圖1 有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 散熱風(fēng)扇總成

1.2 預(yù)評(píng)估測(cè)試分析

由于標(biāo)準(zhǔn)的電磁干擾傳導(dǎo)與輻射發(fā)射測(cè)試對(duì)電磁測(cè)量環(huán)境要求嚴(yán)格，其昂貴的測(cè)試成本往往是零部件廠(chǎng)商主要考慮的因素，因此低成本的電磁干擾預(yù)評(píng)估顯得尤其重要［12］。為了全面地分析與調(diào)查待測(cè)電機(jī)的電磁干擾特性，測(cè)量與分析了電機(jī)輸出端口的共模電流頻域信號(hào)，LISN負(fù)極端的電壓頻域信號(hào)，以及LISN正極端的電壓和電流時(shí)域信號(hào)。測(cè)試布置如圖3所示。值得注意的是，該測(cè)試的被測(cè)量主要是電壓和電流信號(hào)，只需在一般的測(cè)試場(chǎng)地即可，不需要昂貴的半波暗室或者屏蔽室。

圖3 預(yù)評(píng)估測(cè)試布置圖

在該測(cè)試中，一般認(rèn)為共模電流在線(xiàn)束上幅值相同，方向相同，并且以參考導(dǎo)電桌面為電流回路。盡管該電流的幅值較小，但往往是電磁干擾的主要原因。差模電流在線(xiàn)束上幅值相同，方向相反，因此可將一條導(dǎo)線(xiàn)看作另外一條導(dǎo)線(xiàn)的差模電流回路。由于相互抵消作用，差模電流導(dǎo)致的輻射發(fā)射通?？梢院雎圆挥?jì)。值得注意的是，上圖布置中測(cè)量的正負(fù)極電壓、電流信號(hào)是共模與差模信號(hào)的疊加信號(hào)。

圖4所示為L(zhǎng)ISN負(fù)極端的電壓與電機(jī)端口的共模電流頻譜。從圖中可以看出：兩者具有很強(qiáng)的相關(guān)性（相差20～30 dB），有一致的包絡(luò)線(xiàn)，說(shuō)明LISN上形成的傳導(dǎo)干擾主要由共模電流產(chǎn)生。且兩頻譜圖的峰值頻點(diǎn)都在28 MHz左右，主要的干擾頻段都在100 MHz以下。

圖4 LISN負(fù)極電壓與電機(jī)端口共模電流—頻域

圖5所示為L(zhǎng)ISN正極端電壓的時(shí)域信號(hào)，從圖中可以明顯地看到周期為2 ms的紋波，該紋波由電流的換向過(guò)程形成；而尖脈沖為典型的電弧放電波形，該放電波形由電刷放電形成。兩者都是散熱風(fēng)扇中有刷直流電機(jī)電磁發(fā)射的干擾源，這驗(yàn)證了上文的基本機(jī)理分析。圖6為L(zhǎng)ISN正極端電流（差模電流）的時(shí)域信號(hào)，與正極電壓信號(hào)相同，正極電流信號(hào)的換向周期也是2 ms，但尖脈沖沒(méi)有特定的周期。這種差模電流也是形成傳導(dǎo)干擾的原因。

圖5 LISN正極電壓—時(shí)域

圖6 LISN正極電流—時(shí)域

如圖7所示為電機(jī)輸出端口共模電流的時(shí)域信號(hào)。該信號(hào)也不具有特定的周期，并且其峰－峰值高達(dá)10 A，其脈沖上升沿大致為1 ns。這種波形由電刷放電造成，是輻射發(fā)射超標(biāo)的原因。

圖7 電機(jī)端口共模電流—時(shí)域

經(jīng)過(guò)預(yù)評(píng)估分析，該散熱風(fēng)扇的電磁干擾源以共模電流為主，差模電流次之。這一特性為后續(xù)的濾波設(shè)計(jì)提供參考，如圖8所示。

圖8 電磁干擾特性

2 電磁干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)

在電子產(chǎn)品中加入濾波電路是工程實(shí)際中抑制電磁干擾的一般方法，可以把不需要的電磁能量，即電磁干擾降低至理想水平，使得電子產(chǎn)品性能符合相關(guān)法規(guī)要求［13］。

2.1 超限頻段分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18655與歐洲標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25中汽車(chē)零部件的電磁兼容測(cè)試布置要求，在半電波暗室中對(duì)待測(cè)散熱風(fēng)扇的傳導(dǎo)與輻射發(fā)射水平進(jìn)行摸底測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9～13所示。

在圖9中，傳導(dǎo)發(fā)射在30～50 MHz頻段內(nèi)都嚴(yán)重超過(guò)CISPR 25等級(jí)3限值，如在45 MHz處的發(fā)射值超出限值15 dB，而在48 MHz處的發(fā)射值超出限值20 dB。在圖10中，0.15～30 MHz的輻射發(fā)射在28 MHz附近有一明顯的諧振點(diǎn)，并且超出CISPR 25等級(jí)3限值4 dB，與上文分析的共模電流一致。

圖9 傳導(dǎo)發(fā)射摸底曲線(xiàn)（0.15～108 MHz）

圖10 輻射發(fā)射摸底曲線(xiàn)（0.15～30 MHz）

圖11為待測(cè)散熱風(fēng)扇在30～200 MHz內(nèi)的垂直與水平極化輻射發(fā)射曲線(xiàn)。第1個(gè)諧振點(diǎn)在47.64 MHz附近，垂直與水平極化輻射發(fā)射分別超出CISPR 25等級(jí)3限值16.4 dB與12 dB。

圖11 輻射發(fā)射摸底曲線(xiàn)（30～200 MHz）

圖12為待測(cè)散熱風(fēng)扇在200 MHz～1 GHz內(nèi)的垂直與水平極化輻射發(fā)射曲線(xiàn)。在該頻段內(nèi)，輻射發(fā)射水平較低，都在CISPR 25等級(jí)3限值以下。圖13為待測(cè)散熱風(fēng)扇在1～2.5 GHz內(nèi)的垂直與水平極化輻射發(fā)射曲線(xiàn)。在該頻段內(nèi)，除了1.46 GHz頻點(diǎn)外（超出限值3.5 dB），其他頻段都在CISPR 25等級(jí)3限值以?xún)?nèi)。

圖12 輻射發(fā)射摸底曲線(xiàn)（200 MHz～1 GHz）

圖13 輻射發(fā)射摸底曲線(xiàn)（1～2.5 GHz）

由摸底測(cè)試結(jié)果可知：該散熱風(fēng)扇的主要干擾頻段集中在100 MHz以?xún)?nèi)，這與圖4的共模電流測(cè)試結(jié)果一致。摸底測(cè)試結(jié)果與機(jī)理預(yù)評(píng)估測(cè)試結(jié)果相符。

2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

基于預(yù)評(píng)估測(cè)試和摸底測(cè)試結(jié)果，該散熱的傳導(dǎo)干擾可看成共模電流和差模電流共同作用的結(jié)果，而輻射發(fā)射為共模電流所導(dǎo)致。以此設(shè)計(jì)的濾波電路如圖14所示。

圖14 共模與差模濾波等效電路圖

相比差模電流，該散熱風(fēng)扇的共模電流為無(wú)用信號(hào)，并且是傳導(dǎo)和輻射發(fā)射的主要因素，控制其在導(dǎo)線(xiàn)上的幅值顯得更為重要?；诠こ袒c成本的考慮，僅加入共模濾波電路是首選措施。

如圖15所示，共模電流從電機(jī)端口流出，并在導(dǎo)線(xiàn)上形成電磁輻射，最后通過(guò)負(fù)載與參考導(dǎo)電桌面返回。為了減少線(xiàn)上的共模電流，可以在共模電流的前進(jìn)方向上加共模電感，或直接在端口安裝旁路電容［14］。器件的參數(shù)可依靠電流幅頻特性來(lái)選取?？紤]到成本與裝配，共模旁路電容作為首選方案。

圖15 共模電流等效電路圖

鑒于該散熱風(fēng)扇的干擾集中在100 MHz以?xún)?nèi)，選擇4.7 nF的共模電容組成共模濾波電路，如圖16所示?？偡植茧姼蠰P＝15 nH（引腳為10 nH·cm－1，每個(gè)電容引腳總長(zhǎng)大約3 cm）。如圖17所示，相對(duì)于線(xiàn)束與LISN組成的共模阻抗Zin，該旁路電容阻抗在200 MHz以?xún)?nèi)能夠提供很低的低阻抗通路，以達(dá)到濾波的目的。與備選的另一個(gè)22 nF的共模電容相比，4.7 nF的共模電容在體積更小的情況下不影響濾波阻抗特性，更符合工程實(shí)際要求。

圖16 共模濾波等效電路

圖17 阻抗對(duì)比曲線(xiàn)

旁路阻抗Zp與輸入阻抗Zin的計(jì)算公式如式（1）和式（2）中所示。其中旁路電容Cp＝9.4 nF，電機(jī)對(duì)地電容Cg＝15 pF，線(xiàn)束的等效共模阻抗Zc＝270Ω，LISN的等效共模阻抗ZLISN＝25Ω。

式（1）和式（2）中：Zp為旁路阻抗；Lp為旁路電感；Cp為旁路電容；ω為諧振頻率；Zin為輸入阻抗；Zc為線(xiàn)束的等效共模阻抗；ZLISN為L(zhǎng)ISN的等效共模阻抗；β為相位常數(shù)；L為線(xiàn)束長(zhǎng)度。

圖18～21為優(yōu)化前后該散熱風(fēng)扇的傳導(dǎo)與輻射發(fā)射曲線(xiàn)。如圖所示，增加該共模濾波電路能夠有效減少主要頻段的電磁干擾，特別在諧振點(diǎn)28 MHz、30 MHz以及45 MHz附近，發(fā)射水平減少35～40 dB，能達(dá)到CISPR 25等級(jí)3限值要求。

圖18 濾波前后的傳導(dǎo)發(fā)射曲線(xiàn)（0.15～108 MHz）

圖19 濾波前后的輻射發(fā)射曲線(xiàn)（0.15～30 MHz）

圖20 濾波前后的輻射發(fā)射曲線(xiàn)－水平極化（30～200 MHz）

圖21 濾波前后的輻射發(fā)射曲線(xiàn)－垂直極化（0.03～200 MHz）

由于分布電感的影響，在高于200 MHz時(shí)，共模電容呈中高阻抗，不再具備濾波作用。因此，該濾波方案主要對(duì)200 MHz以下有明顯作用，不足以應(yīng)對(duì)高頻電磁干擾。在此基礎(chǔ)上，可以考慮增加共模扼流圈或設(shè)計(jì)多級(jí)濾波器［15－16］，但這會(huì)顯著地增加工程成本，還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

針對(duì)某汽車(chē)散熱風(fēng)扇，分析了其有刷直流電機(jī)的電磁干擾機(jī)理以及產(chǎn)生的傳導(dǎo)與輻射發(fā)射的原因。通過(guò)采集電機(jī)端口的共模電流以及LISN上電壓、電流，確定其主要的電磁發(fā)射頻段。分析電壓電流時(shí)域波形，得出了該有刷直流電機(jī)的電磁干擾特性參數(shù)。通過(guò)預(yù)評(píng)估測(cè)試與分析，確定了電磁干擾源主要為電流換流過(guò)程以及電刷所產(chǎn)生的電弧火花。干擾源通過(guò)線(xiàn)束形成的共模電流是輻射發(fā)射的原因，也是傳導(dǎo)發(fā)射的主要因素之一。

依據(jù)GB／T 18655—2010標(biāo)準(zhǔn)和CISPR 25—2008下的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)匹配合適的共模濾波阻抗，合理地設(shè)計(jì)濾波電路。加入該濾波電路后有效地降低了電磁干擾集中頻段的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射電壓水平。對(duì)于高頻電磁干擾，還需進(jìn)一步的研究。