電動(dòng)汽車DC-DC變換器傳導(dǎo)電壓法仿真研究

李建群

電動(dòng)汽車DC-DC變換器傳導(dǎo)電壓法仿真研究

李建群

（廣汽埃安新能源汽車有限公司，廣州 510000）

本文提出一種場(chǎng)路協(xié)同仿真方法，可用于預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射的電磁兼容性能。通過該方法得到電動(dòng)汽車DC-DC變換器的傳導(dǎo)噪聲電壓，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果在量級(jí)、趨勢(shì)和尖峰方面都有很好的一致性，表明該方法有較好的可行性和準(zhǔn)確性。所提方法僅需要版圖設(shè)計(jì)文件、磁心器件規(guī)格書、器件數(shù)據(jù)手冊(cè)和殼體三維模型就可以預(yù)測(cè)和評(píng)估變換器傳導(dǎo)發(fā)射的電磁兼容性能，因此特別適用于DC-DC變換器開發(fā)前期；同時(shí)也適用于此類問題的整改過程，只需要在仿真電路中進(jìn)行調(diào)整輸出端濾波電容值、添加磁環(huán)等改進(jìn)，就可以快捷而準(zhǔn)確地評(píng)估改進(jìn)前后的差異，為DC-DC變換器傳導(dǎo)干擾問題的定位和改善提供有力支撐。

DC-DC變換器；傳導(dǎo)發(fā)射；仿真；傳輸參數(shù)

0 引言

現(xiàn)代汽車逐漸向電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展，作為電動(dòng)汽車低壓電氣設(shè)備的“公共電源”和蓄電池電力補(bǔ)充的DC-DC變換器，被稱為電動(dòng)汽車電子電器的“心臟”，其電磁兼容性能的好壞決定電動(dòng)汽車在車內(nèi)外復(fù)雜電磁環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和安全性[1]。其中，DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射的電磁兼容性能尤為重要，傳導(dǎo)干擾會(huì)直接注入與DC-DC變換器相連的車內(nèi)全部低壓電器，嚴(yán)重污染低壓電器的供電電路，甚至影響低壓電器的正常工作[2]。

目前，車載DC-DC變換器的電磁兼容性能是在樣件生產(chǎn)和調(diào)試完成后開展測(cè)試和評(píng)估的，國(guó)標(biāo)GB/T 18655—2018《車輛、船和內(nèi)燃機(jī)無線電騷擾特性 用于保護(hù)車載接收機(jī)的限值和測(cè)量方法》[3]對(duì)傳導(dǎo)電壓法的測(cè)試方法和限值有詳細(xì)的規(guī)定，如果測(cè)試結(jié)果超過限值，需要對(duì)DC-DC變換器內(nèi)器件進(jìn)行多次更改甚至修改電路，直到滿足要求。相比DC-DC變換器實(shí)物的測(cè)試和整改，產(chǎn)品工程師更希望通過仿真來預(yù)測(cè)和評(píng)估DC-DC變換器的電氣性能甚至電磁兼容性能。

車載DC-DC變換器主電路具有低壓大電流輸出、高低壓隔離等特點(diǎn)，通常采用變壓器隔離型Buck拓?fù)浜烷_關(guān)管零電壓開通脈寬調(diào)制（PWM）控制方式的全橋變換器結(jié)構(gòu)[4]。可利用專業(yè)電源仿真軟件Simetrix對(duì)變換器電路進(jìn)行仿真，求解器件的電流和電壓，計(jì)算得到不同變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓增益、導(dǎo)通損耗和變換器效率等電氣性能[5]。

在研究DC-DC變換器電磁兼容性能方面，有將有源和無源器件的高頻模型添加到車載電源的主電路中，在Saber軟件中搭建含高頻等效電路模型的車載電源的傳導(dǎo)干擾仿真電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)比寄生參數(shù)、對(duì)地電容對(duì)不同位置傳導(dǎo)干擾影響的情況[6]；也有利用Matlab/Simulink對(duì)Buck、Boost等變換器進(jìn)行電路方程和器件等效模型構(gòu)建，仿真并比較兩種方法的瞬態(tài)變化和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)[7]。這些方法僅將無源器件和有源器件的寄生參數(shù)通過RLC簡(jiǎn)單的并串聯(lián)等效電路來描述，定性分析了DC-DC變換器不同電路組成對(duì)傳導(dǎo)干擾的影響。在變換器的器件建模方面，明確了開關(guān)器件是電磁干擾（electro- magnetic interference, EMI）的主要噪聲源，開關(guān)器件的寄生振蕩是高頻EMI的重要組成部分，振蕩頻點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)EMI峰值，通過開關(guān)器件分段暫態(tài)模型仿真得到電流頻譜與電流測(cè)量值有較好的一致性[8]。對(duì)于影響EMI的重要無源器件——磁心變壓器，通過比較多種建模方法，明確了有限元方法是分析幾何特性復(fù)雜的變壓器的非線性參數(shù)較優(yōu)選的方 法[9-11]。數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor, DSP）對(duì)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)的仿真電路中也是通過算法轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開關(guān)管的控制[12]。

因此，本文以電動(dòng)汽車用隔離型Buck拓?fù)涞娜珮駾C-DC變換器為例，詳細(xì)說明利用有限元法得到磁心器件、印制電路板（printed circuit board, PCB）等無源器件等效模型的建模方法，驗(yàn)證無源器件的電磁性能及功率開關(guān)器件SPICE模型的電氣性能后，進(jìn)行傳導(dǎo)電壓法場(chǎng)路協(xié)同仿真，將協(xié)同仿真電路的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，以確認(rèn)本文方法的準(zhǔn)確性和合理性。

1 建立器件仿真模型

電動(dòng)汽車DC-DC變換器中的磁心器件、金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semicon- ductor field-effect transistor, MOSFET）模型、控制電路和最容易忽略的公共地回路模型的準(zhǔn)確性決定了傳導(dǎo)電壓仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真之前，需要對(duì)這些器件/電路進(jìn)行建模驗(yàn)證其電氣性能。

用于仿真分析的電動(dòng)汽車DC-DC變換器帶屏蔽結(jié)構(gòu)仿真模型如圖1所示，包含磁心器件、PCB、金屬殼體和屏蔽罩等。

圖1 DC-DC變換器帶屏蔽結(jié)構(gòu)仿真模型

1.1 磁心器件建模

磁心變壓器和磁心電感都選用平面磁心，磁心直接裝配在PCB上，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。磁心選用型號(hào)為L(zhǎng)P10的寬溫低功耗的錳鋅鐵氧體材料，材料參數(shù)見表1。

表1 LP10型磁心材料參數(shù)

從磁心器件的器件規(guī)格書和PCB版圖文件可知，磁心變壓器和磁心電感的繞組都是印制在PCB上，既利用PCB嚴(yán)格的層疊結(jié)構(gòu)確保了器件的一致性，又有利于提高DC-DC變換器的功率密度。

三維電磁場(chǎng)有限元模型是用于傳導(dǎo)發(fā)射電壓法的場(chǎng)路協(xié)同仿真計(jì)算，傳導(dǎo)發(fā)射電壓法測(cè)量的頻率范圍為150kHz～108MHz，故設(shè)置DC-DC變換器有限元模型的求解頻率為100MHz，掃頻范圍為150kHz～108MHz。進(jìn)行網(wǎng)格剖分和局部網(wǎng)格加密后滿足收斂要求的完整DC-DC變換器三維模型網(wǎng)格如圖2所示，在幾何和材料變化邊界處為較好的等邊三角形。

DC-DC變換器中的變壓器既可以實(shí)現(xiàn)用電的分支電路與整個(gè)電氣系統(tǒng)隔離，保證供電電路和負(fù)載電路互相絕緣，又可以將一次側(cè)的脈沖矩形波傳遞到變壓器的二次側(cè)得到另一個(gè)電壓幅值的交流正弦波，確保能量傳輸，還能減少電路間的互相干擾。

圖2 完整DC-DC變換器三維模型網(wǎng)格

在變壓器一、二次繞組接頭處添加端口進(jìn)行仿真，提取傳輸參數(shù)矩陣得到等效模型，磁心變壓器一、二次電阻和電感參數(shù)曲線如圖3所示。

磁心變壓器仿真計(jì)算的電感值和電阻值見表2。對(duì)比器件規(guī)格書，磁心變壓器一、二次側(cè)的交流、直流電感的標(biāo)稱值與仿真值在量級(jí)和趨勢(shì)方面有很好的一致性，從而明確了磁心變壓器電磁性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)表2進(jìn)一步計(jì)算得到磁心變壓器的匝數(shù)比約為14:1，滿足電壓調(diào)節(jié)的要求。漏感占比約1.7%，滿足變壓器漏感占比一般小于2%的要求。磁心材料為空氣和磁心材料為L(zhǎng)P10的變壓器磁力線分布如圖4所示，可知增加磁心的厚度可以進(jìn)一步減小變壓器漏感。

圖3 磁心變壓器一、二次電阻和電感參數(shù)曲線

圖4 磁心材料為空氣和LP10的變壓器磁力線分布

磁心電感結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在電感繞組兩端添加端口進(jìn)行求解，采用提取寄生參數(shù)和傳輸參數(shù)矩陣兩種方法得到磁心電感等效模型。通過等效模型計(jì)算磁心電感的正向傳輸系數(shù)21，磁心電感正向傳輸系數(shù)頻譜如圖5所示，由于RLC有適用頻寬限制，即提取寄生參數(shù)法的有效頻段是有限的，不能計(jì)算得到高頻段的耦合特性，而全波電磁場(chǎng)有限元法可以精確計(jì)算無源器件寬頻段的傳輸特性。從無源器件提取等效模型的準(zhǔn)確性也體現(xiàn)了本文方法具有較高的準(zhǔn)確性。

圖5 磁心電感正向傳輸系數(shù)頻譜

將帶有高頻耦合特性的傳輸參數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換得到參數(shù)矩陣，從而得到磁心電感的電感值和電阻值見表2。

表2 磁心器件的電感值和電阻值

1.2 功率開關(guān)器件建模

本文研究的電動(dòng)汽車DC-DC變換器實(shí)際電路中使用的MOSFET為安森美公司的NVMFS5C612NL，根據(jù)該器件規(guī)格書中的輸入/輸出電容、反向電容、雜散電感和導(dǎo)通電阻等寄生參數(shù)，對(duì)該器件已有的SPICE非線性仿真模型進(jìn)行寄生參數(shù)確認(rèn)和添加。MOSFET寄生參數(shù)見表3。規(guī)格書中的MOSFET輸出特性曲線如圖6所示。搭建輸出特性仿真電路，得到MOSFET仿真輸出特性曲線如圖7所示，與規(guī)格書中的輸出特性曲線有很好的吻合。因此，開關(guān)管模型在電磁兼容性能和電氣性能方面有較高的準(zhǔn)確性，滿足后續(xù)的傳導(dǎo)發(fā)射電磁兼容仿真要求。

表3 MOSFET寄生參數(shù)

圖6 規(guī)格書中的MOSFET輸出特性曲線

圖7 MOSFET仿真輸出特性曲線

1.3 控制信號(hào)建模

通常用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)，仿真時(shí)很難獲得驅(qū)動(dòng)芯片的輸出波形，對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行電路建模更是難以實(shí)現(xiàn)。本文用于仿真分析的DC-DC變換器中使用的是TI公司的UCC27201AQ隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，在仿真時(shí)也存在同樣的問題。在搭建傳導(dǎo)電壓法協(xié)同仿真電路時(shí)，用一個(gè)可以設(shè)置電壓值、占空比和上升沿/下降沿的數(shù)字信號(hào)電壓源作為開關(guān)管的電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開關(guān)頻率選定為87kHz，通過對(duì)控制信號(hào)的占空比、上升沿/下降沿的敏感度分析發(fā)現(xiàn)，占空比直接影響變換器輸出電壓，控制信號(hào)占空比與輸出電壓關(guān)系如圖8所示?？刂菩盘?hào)的上升沿/下降沿對(duì)變換器輸出電壓基本沒有影響，故根據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片的器件規(guī)格書將控制信號(hào)的上升沿/下降沿選為典型值20ns。

圖8 控制信號(hào)占空比與輸出電壓關(guān)系

1.4 公共地回路建模

電源線與回路地形成的回路電流會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。DC-DC變換器的地回路既有電源線與金屬殼體間電容耦合、電源線間電感耦合形成的回路，又有逆變器輸入端和輸出端與殼體、散熱片的耦合、變壓器一次側(cè)和二次側(cè)之間的電容耦合形成的回路，可以看出地回路是最容易忽略且最復(fù)雜、很難建模的部分。

為了保證獲得完整的DC-DC變換器地回路參數(shù)，將磁心器件、PCB、金屬殼體放入一個(gè)三維模型中進(jìn)行仿真計(jì)算，提取整體的傳輸參數(shù)作為等效電路用于場(chǎng)路協(xié)同仿真，這樣既包含了完整的地回路，又可以利用地回路的簡(jiǎn)化滿足計(jì)算效率和精度的要求。

2 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

電動(dòng)汽車DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射是車載電源電磁兼容重要的測(cè)試項(xiàng)，GB/T 18655—2018是用于測(cè)試車載電源電磁兼容性能的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了車載電源傳導(dǎo)發(fā)射強(qiáng)度的限值和試驗(yàn)方法，測(cè)試頻率范圍為150kHz～108MHz，要求DC-DC變換器輸出端傳導(dǎo)干擾電壓的頻譜在測(cè)試頻率范圍內(nèi)必須在標(biāo)準(zhǔn)限值以下。

根據(jù)輸出電壓與控制信號(hào)占空比的關(guān)系，調(diào)整場(chǎng)路協(xié)同仿真電路中控制信號(hào)占空比約為0.72，仿真計(jì)算時(shí)間為400ms，為了保證對(duì)控制信號(hào)上升沿/下降沿20ns較好的采樣精度和滿足頻譜圖的頻率上限要求，時(shí)間步進(jìn)設(shè)置為2ns，得到DC-DC變換器的輸入和輸出電壓時(shí)域波形如圖9所示。其中實(shí)線為DC-DC變換器輸出電壓時(shí)域波形，平均值約為13.97V且有明顯的紋波。

圖9 DC-DC變換器的輸入和輸出電壓時(shí)域波形

將時(shí)域波形進(jìn)行傅里葉變換得到DC-DC變換器直流輸出端傳導(dǎo)噪聲電壓頻域曲線如圖10所示，圖中虛線是GB/T 18655—2018中傳導(dǎo)發(fā)射電壓法Class3的峰值門限值（廣播+移動(dòng)設(shè)備頻段），點(diǎn)劃線為實(shí)測(cè)結(jié)果，實(shí)線為無輸出端濾波電容的仿真結(jié)果，傳導(dǎo)發(fā)射噪聲電壓明顯超出標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖10 DC-DC變換器直流輸出端傳導(dǎo)噪聲電壓頻域曲線（無濾波電容）

3 優(yōu)化方案的建模和仿真結(jié)果對(duì)比

3.1 在輸出端添加濾波電容

由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，在DC-DC變換器的輸出端加入濾波電容可以對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射噪聲電壓進(jìn)行抑制，但通常并不明確添加多大的電容和抑制效果，設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)調(diào)整、焊裝和測(cè)試。在場(chǎng)路協(xié)同仿真電路中，輸出端位置加入濾波電容，只需要設(shè)置不同的電容值（4nF、10mF、100mF）進(jìn)行計(jì)算即可直接評(píng)估結(jié)果。DC-DC變換器直流輸出端傳導(dǎo)噪聲電壓頻域曲線如圖11所示。

3.2 在輸出端母排添加磁環(huán)

在輸出端母排添加磁環(huán)也可以有效抑制輸出端傳導(dǎo)干擾。針對(duì)這類整改措施，現(xiàn)階段工程師大都對(duì)DC-DC變換器實(shí)物進(jìn)行整改，更換不同磁環(huán)取其中效果最好的。由于磁環(huán)的多個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)果都有影響，使整改過程既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)。這種情況下采用本文方法，在三維仿真模型輸出端母線的位置添加磁環(huán)器件三維模型，設(shè)置不同磁環(huán)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，可快速而準(zhǔn)確地選定磁環(huán)并預(yù)測(cè)結(jié)果。

整改前后的仿真模型如圖12所示，添加磁環(huán)后傳導(dǎo)發(fā)射噪聲電壓的頻域曲線如圖13所示，由圖可知，添加磁環(huán)后傳導(dǎo)噪聲電壓在整頻段有約10dB改善。

圖12 整改前后的仿真模型

3.3 對(duì)頻段噪聲的研究

對(duì)比上述仿真和測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)較低頻段，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果在量級(jí)、趨勢(shì)和峰值方面都有很好的一致性，但在相對(duì)較高頻段，仿真值明顯低于測(cè)試值。這是由于該DC-DC變換器的控制板和車載充電機(jī)（on board charger, OBC）的控制板合成一體，沒有加入兩個(gè)控制板對(duì)DC-DC變換器傳導(dǎo)干擾的影響。測(cè)量電動(dòng)汽車車載充電機(jī)的熱背景噪聲，與仿真結(jié)果進(jìn)行疊加，疊加后的曲線如圖14所示，疊加后的曲線和實(shí)測(cè)值在全頻段的量級(jí)、趨勢(shì)和峰值方面都有很好重合，進(jìn)一步表明DC-DC變換器中開關(guān)電路產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲主要對(duì)整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)較低頻率產(chǎn)生影響。

圖13 添加磁環(huán)后傳導(dǎo)發(fā)射噪聲電壓的頻域曲線

圖14 直流輸出端傳導(dǎo)噪聲電壓仿真值+設(shè)備開機(jī)底噪的頻域曲線

4 結(jié)論

本文提出了一種僅通過設(shè)計(jì)電路圖、PCB版圖文件及影響場(chǎng)分布的結(jié)構(gòu)件三維模型和器件規(guī)格書來預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射電磁兼容性能的仿真方法，能夠?qū)Χ喾N改進(jìn)方案進(jìn)行仿真，快速預(yù)測(cè)結(jié)果并確認(rèn)最優(yōu)的改進(jìn)措施，可顯著縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品整改難度，特別適用于產(chǎn)品正向開發(fā)及問題定位和整改，具有很好的可行性和實(shí)用性。

通過三維電磁場(chǎng)仿真軟件建立由磁心器件、PCB版圖和地回路組成的完整的DC-DC變換器三維有限元模型，將計(jì)算得到的傳輸參數(shù)矩陣的等效模型放入系統(tǒng)級(jí)仿真軟件中，與開關(guān)管非線性模型、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（line impedance stabilization network, LISN）模型及控制電路模型進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真，由于有限元模型、開關(guān)管非線性模型都有較高準(zhǔn)確性，保證了DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射電磁兼容性能仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

還可以進(jìn)行多種改進(jìn)并快速預(yù)測(cè)結(jié)果，加入nF級(jí)濾波電容可以對(duì)高頻噪聲進(jìn)行約30dB有效抑制，加入mF級(jí)濾波電容可以對(duì)高低頻噪聲進(jìn)行約40dB有效抑制，加入磁環(huán)可以對(duì)高低頻噪聲進(jìn)行約10dB有效抑制。同時(shí)表明DC-DC變換器中開關(guān)電路產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲主要對(duì)整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)的較低頻率產(chǎn)生影響。

綜上所述，本文介紹的包含三維有限元模型和開關(guān)管非線性模型的場(chǎng)路協(xié)同仿真方法是一種準(zhǔn)確且有實(shí)用價(jià)值的電動(dòng)汽車DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射電磁兼容性能預(yù)測(cè)和評(píng)估方法。

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Simulation research on conducted voltage method of DC-DC converter in electric vehicle

LI Jianqun

(GAC Aion New Energy Vehicle Co., Ltd, Guangzhou 510000)

In this study, a co-simulation analytical method is introduced, which can be used to calculate the conducted noise voltage of DC-DC converter in electric vehicle. The simulation result of this method is in good agreement with the test result in magnitude, trend and peak values, which shows that the method is feasible and practical. This method is especially applicable to the early stage of DC-DC converter development. Only the PCB layout, magnetic core specification, device datasheet and 3D model are required to predict and evaluate the conducted emission of the converter. It is a good method to evaluate the optimization and improvement impacts by adding magnetic core into the full 3D model, or changing the value of the output filter capacitors in the simulation circuit. It provides an important support for the positioning and rectification of component level electromagnetic interference problem of conducted emission in DC-DC converter.

DC-DC converter; conducted emission; simulation; S-parameter

2022-07-18

2022-08-15

李建群（1977—），女，昆明人，本科，工程師，主要從事電動(dòng)汽車整車和部件的電磁兼容仿真、設(shè)計(jì)和整改工作。