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新能源汽车中的EMC问题

出处:OFweek电子工程网 发布于:2019-07-17 13:57:08 | 732 次阅读

  今天在深圳进行《开关电源技术&汽车电子》主题报告中谈到汽车电子-新能源技术的电磁兼容问题,我有分析新能源汽车电子的EMC问题,EMC的三要素已经成为了我们的行动大纲;EMC三要素:干扰源-耦合路径-敏感设备;从理论上三要素如果解决处理好任意一个因素就构不成干扰或骚扰的问题;
  EMC=EMI+EMS;对于EMS的三要素:干扰源(比如外部施加EFT,ESD,SURGE)通过传递路径(耦合路径)到我们的敏感电路产生噪声干扰;功率半导体电子线路的功能及性能的问题!
  对于EMI的三要素:骚扰源(内部电路的du/dt(电压突变)&di/dt(电流突变))通过传递路径到等效天线的模型被我们的EMI的测试接收机接收;就形成了我们的EMI数据-必须达到无线电通信限值的要求!
  我的EMI的理论是先分析再设计;实现性价比最优化原则!如下图:


  通过上图我从EMI的正向设计进行了系统的讲述:对于功率半导体电子线路;
  A.确认有哪些噪声源;
  B.分析噪声源的特性;相关资料可以通过网络搜索作者名字下载或观看;(我的理论:先分析再设计;了解噪声源头特性是关键)!
  C.确认噪声源的传递路径;这也是我们大多数工程师处理EMI-Issue时的着手点;(处理的手段和方法);EMI的耦合路径:感性耦合;容性耦合;传导耦合;辐射耦合!
  D.对上述的结果进行分析确认后;就会有最佳化的设计!
  针对新能源汽车电子SiC器件替代IGBT器件其明显优势:功率损耗降低
  效率高,提高电池续航能力!同时器件的高温高压高频更小体积带来优越性会更明显;
  下面就新能源汽车电气系统拓扑以及各部件的EMI干扰参考图示分析!


  新能源汽车的干扰主要来自于:主驱,空调,DC-DC,辅驱等电气设备;从实际的经验来看,目前系统的EMC问题90%于逆变器及电机!
  解决了逆变器及电机(电控主驱)的EMI问题,就基本完成了主要的工程设计了。
  1.我们先来分析逆变器&电机:差模干扰源及耦合路径!


  通过示波器我们能测量到逆变器的输出电流和主回路直流电压上的高频分量!如上图的波形图示!  如果我们采用的IGBT功率器件开关改变电流的通路,可以测量到续流二极管反向恢复特性有高频振荡环流(本体二极管的反向恢复特性!)如果我们将IGBT采用宽禁带半导体SiC器件就可以改善其反向恢复电流的问题,同时提高效率!


  SiC器件体二极管的1200V/10A反向恢复特性如下:反向恢复电流小不到3A;


  注意在应用时,SiC的驱动设计和IGBT有相似的设计应用-参考如下:


  A.如上图所示使用以Zener diode作为驱动的正负电压的控制方法
  B.对于驱动IC而言,其看到的Vcc为0~24V,但对MOSFET而言,其Vgs得到数值由于zener diode的电压差,在Vout输出其负电压为-4V,而Vout输出为正电位位时将会为20V!
  C.有的SiC MOS建议以-5~20V的范围SiCMOSFET组件可获得较佳的性能!
  D.如果在使用上有Ringing问题,需要增加Snubber或在Gate端加入磁珠减少振荡情况!
  2.我们再来分析逆变器&电机:共模干扰源及耦合路径!


  我们知道功率半导体电子线路其共模骚扰路径是我们EMI骚扰源的重要干扰;解决共模干扰是我们设计的关键!进行共模骚扰源的电子线路等效如下:


  SiC器件替代IGBT;EMI更难?EMI传导&辐射问题怎么破?逆变器&电机:SiC器件开关du/dt&di/dt在时域的噪声问题分析!


  电压突变&电流突变的两种噪声模式在开关过程中都会引起EMI的问题!SiC 其高的du/dt 更明显!

  SiC-MOS特性:
  A.快的开关速度
  B.低的开关损耗
  C.高的du/dt
  SiC-MOS在汽车电子的优势:
  A.功率损耗降低;效率高,提高电池续航能力;
  B.高温高压高频;更小体积
  SiC-MOS在汽车电子的EMI问题:
  A.更高的du/dt;di/dt
  B.电力电子功率器件在EMI骚扰源端的电压电流振荡
  那么我们设计的机理:
  从噪声源头出发,了解寄生分布参数为线,通过路径来优化EMI设计!我提供完整的电子线路的解决思路进行参考-如下所示;
  EMI传导的问题通过插入滤波器(共模电感&磁环如图示)进行优化;通过噪声源特性/优化路径进行EMI辐射的设计;
  新能源汽车电子系统-最后再通过屏蔽连接线电缆布局走线同时优化EMI!达到最佳化的设计!参考思路如下:
  双绞线可以有效地屏蔽磁场干扰,屏蔽线可以有效地屏蔽静电干扰;
  关键的信号线,如SiC/IGBT门极驱动信号,CAN通信用双绞线或双绞屏蔽线等;
  信号线屏蔽层单端接地,且应选择干净稳定的地,例如控制器外壳,车身,发送或接收端的地(抗干扰);
  动力线屏蔽层两端接机箱和电机外壳,构成一个完整的屏蔽体,使共模电流不从其他导体返回(降干扰,这和信号线屏蔽层单端接地抗干扰不同);
  屏蔽层用航空接头360°良好连接;
  对重要的信号线,每根信号线分配一根地线;
  动力线布线的环路面积越小越好;
  动力线与信号线、控制线尽可能远离,切忌近距离平行布线,否则要认真处理好各自的屏蔽层接地,套金属波纹管;
  敏感部件和系统尽量远离强干扰源;
  信号线要贴近底盘布线;
  通过电器设备的合理布局,使布线尽可能短等等。
  更多设计应用实践及技术交流;请关注阿杜老师!
  杜佐兵
  电磁兼容(EMC)线上&线下高级讲师
  杜佐兵老师在电子行业从业近20年,是国家电工委员会高级注册EMC工程师,武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱设计

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关键词:新能源汽车

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