電機(jī)控制器作為汽車(chē)上主要的 EMI 干擾源，其傳導(dǎo)發(fā)射干擾程度也隨著總成系統(tǒng)功率開(kāi)關(guān)元器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率的不斷提高、操作功率密度的不斷增大而越發(fā)嚴(yán)酷。作為 EMC正向設(shè)計(jì)的重要步驟，電機(jī)控制器電磁兼容性系統(tǒng)仿真模型的建立對(duì)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本和快速精準(zhǔn)定位問(wèn)題具有非常重要意義。

 

目前基于CST仿真軟件建立完整的雙三相電機(jī)控制器的電磁兼容性的仿真的研究比較少見(jiàn),文獻(xiàn)從控制器開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的di/dt和du/dt出發(fā)，應(yīng)用系統(tǒng)函數(shù)的方法來(lái)描述傳播路徑上的干擾耦合特征,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了EMI的時(shí)域波形和頻譜特性，分析了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率與開(kāi)關(guān)損耗及EMI嚴(yán)重程度的關(guān)系，提出可以用軟開(kāi)關(guān)和SVPWM調(diào)制的方法來(lái)優(yōu)化電磁兼容問(wèn)題，建立了控制器和電機(jī)的仿真模型并基于CST MWS進(jìn)行了EMI仿真，得出了干擾的時(shí)域波形。本文基于CST軟件，建立了從電源線(xiàn)束、功率開(kāi)關(guān)器件、濾波器到電機(jī)的EMC模型，并將仿真結(jié)果與EMC傳導(dǎo)發(fā)射實(shí)測(cè)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明本文建立的電驅(qū)系統(tǒng)模型具有較高的精確性，對(duì)雙三相電機(jī)控制器解決EMC傳導(dǎo)發(fā)射問(wèn)題具有一定的指導(dǎo)作用。

 

2. 控制器系統(tǒng)的 EMC 分析

 

圖一，雙三相電機(jī)控制器的差模路勁和共模路勁

 

 

圖二，MOSFET開(kāi)關(guān)波形：di/dt = 15A/us, dv/dt = 160V/us

 

控制器的驅(qū)動(dòng)電路高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起過(guò)大的 di/dt 和 du/dt 是系統(tǒng)噪聲的主要干擾源，如圖一，共模干擾源產(chǎn)生的主要原因是電路中較高的 du/dt 對(duì)寄生電容進(jìn)行充放電引起的，其主要流通路徑一共有兩條，一條是從 MOSFET 逆變器模塊通過(guò)散熱膏，散熱器和機(jī)殼之間形成的分布電容傳導(dǎo)至參考地面，另外一條是共模電流通過(guò)電機(jī)雙繞組，由雙繞組之間寄生電容及與機(jī)殼和參考地之間的分布電容構(gòu)成共模電流回路；差模干擾是指相線(xiàn)之間的干擾，直接通過(guò)六個(gè)相線(xiàn)和電源正負(fù)極形成的電流回路。本文案例主要干擾為差模干擾為主，通過(guò)系統(tǒng)模型和電路模型。從時(shí)域和頻域角度得出傳導(dǎo)發(fā)射的仿真結(jié)果。

 

3. 雙三相電機(jī)控制器系統(tǒng)的電磁兼容性建模

3.1 基于 CST 的 3D 建模

本文仿真參考的樣機(jī)為控制器及雙三相電機(jī)一體化設(shè)計(jì)，二者之間直接由長(zhǎng)度為短且一致，雜散參數(shù)小的六個(gè)相線(xiàn)銅排連接。

 

3.1.1 低壓線(xiàn)束建模

標(biāo)準(zhǔn) CISPR25:2016 里規(guī)定了汽車(chē)零部件傳導(dǎo)發(fā)射電壓法的人工網(wǎng)絡(luò)連接器與被測(cè)件連接器之間的電源線(xiàn)長(zhǎng)度應(yīng)為 200～400mm。設(shè)該線(xiàn)束長(zhǎng)為 300mm，一共兩層，表層為絕緣橡膠材質(zhì)，內(nèi)層是材質(zhì)為淬火銅的功率線(xiàn)束。線(xiàn)束的兩端分別接人工網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)總成。

 

 

圖三，電源線(xiàn)束模型示意圖

 

如圖三所示，它其實(shí)是一個(gè)高溫絕緣材料包裹淬火銅材料的線(xiàn)束，包含電磁耦合關(guān)系及功率線(xiàn)束雜散參數(shù)信息的 RLC 等效電路的多輸入多輸出模塊，其 RLC 參數(shù)可以在 3D仿真的時(shí)候計(jì)算包含在模型里面，可直接與其他模型端口進(jìn)行連接，也可以跟其他金屬材料直接連接。對(duì)于低速板不需要考慮線(xiàn)束的阻抗匹配。

 

3.1.2 MOSFET 雙逆變器建模

作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要干擾源，MOSFET 模型的建立以及它們的精確度直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文研究樣機(jī)所采用的是 Infineon 的一款功率 NMOS，此元器件在英飛凌官網(wǎng)可以直接下載 Spice 模型，此模型可以導(dǎo)入到 DS 仿真中直接使用，其各項(xiàng)參數(shù)還是具有很高的準(zhǔn)確性。其主要參數(shù)如 Vds = 80V，Id = 300A，Rds = 1m?。

 

此樣機(jī)產(chǎn)品所采用的雙三相橋分別由六個(gè) NMOS 管組成，基本電路如圖一所示，PCB板采用 8 層板的疊層結(jié)構(gòu)，兩邊各三相的布局方式，如圖四所示，

 

 

圖四，MOS 管 PCB 布局

 

此樣機(jī)采用逆變電路和控制電路共 PCB 板的綜合性布板，而非采用分板或者采用MOSFET 模塊進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)寄生參數(shù)如雜散電感的優(yōu)化和系統(tǒng)的散熱來(lái)說(shuō)都是一種挑戰(zhàn)。對(duì)于功率回路來(lái)說(shuō)雜散電感越小越好，過(guò)大的雜散電感會(huì)導(dǎo)致 Vds 的電壓尖峰，從而危害 MOS 管，所以在 PCB layout 的時(shí)候通過(guò) CST 的低頻仿真工作室建模并且使用 RLC 求解器來(lái)仿真雜散電感，優(yōu)化雜散電感是很有必要性的。

 

通過(guò) RLC 仿真得到回路上的雜散電感是 15nH，進(jìn)行雙脈沖測(cè)試的電路仿真，Vds尖峰電壓超過(guò) 72V，MOS 存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì) PCB 進(jìn)行走線(xiàn)優(yōu)化，仿真得出雜散電感為10nH。

 

 

圖五，雙脈沖仿真結(jié)果

 

仿真結(jié)果如圖五所示，Vds 尖峰電壓為 64.5V，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，雙脈沖實(shí)測(cè)波形如圖二所示，Vds 為 66V，根據(jù)測(cè)得 di/dt，由公式 V=L*di/dt 計(jì)算得到雜散電感為 10.5nH。

 

3.1.3 六相雙繞組電機(jī)建模

本文研究樣機(jī)所采用的是雙繞組電機(jī)，并且每個(gè)逆變器采用三角形連接，電機(jī)內(nèi)部有多對(duì)磁極。由于 CST 軟件主要應(yīng)用于電磁兼容性的仿真，暫時(shí)沒(méi)有電機(jī)的仿真功能，所以本文研究的電機(jī)線(xiàn)圈在 3D 工作室通過(guò)離散端口相互連接，形成三角形連接方式。本文所仿真的電機(jī)模式為堵轉(zhuǎn)模式，后面電路工作室會(huì)使用電感和電阻來(lái)模擬線(xiàn)圈的等效電路。

 

3.1.4 EMC 仿真 3D 系統(tǒng)建模

根據(jù) EMC 實(shí)驗(yàn)室布置和系統(tǒng)總成的安裝方式最后建模如圖所示

 

 

圖六，3D 系統(tǒng)模型

 

3.2 基于 CST 的 DS 建模

3.2.1 系統(tǒng)電路建模

在DS工作室里面將電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)里各子模塊的等效電路連接起來(lái), 該模型涵蓋了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)回路中的電源，人工網(wǎng)絡(luò)，逆變電路，電機(jī)等效電路。如圖七所示

 

 

圖七，等效電路

 

3.2.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)制方式

電機(jī)控制器系統(tǒng)模型的調(diào)制方式采用SVPWM策略，它是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件組成的特定開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。SVPWM算法比SPWM算法的直流電壓利用率提高了15.47%。SVPWM波可以由三角波(調(diào)制波)與馬鞍波(載波，由正弦波加它的三次諧波疊加而成)調(diào)制生成。

 

本文研究樣機(jī)為雙三相電機(jī)控制器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)關(guān)頻率等于調(diào)制波頻率，逆變電路由兩個(gè)三相橋組成，每一個(gè)三相橋的載波信號(hào)的相位差為120?，兩個(gè)三相橋的U,V,W相級(jí)相互對(duì)應(yīng)，載波信號(hào)的相位差為30?。

 

該調(diào)制方式可以用VBA或者Python編程實(shí)現(xiàn)，本文使用CST軟件自帶的VBA編譯器編程實(shí)現(xiàn)SVPWM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成。

 

三角波計(jì)算公式如下：

 

 

 

如圖八，將三角波和馬鞍波相互比較，生成SVPWM波形，如圖九所示：

 

 

圖八，一個(gè)周期內(nèi)的三角波和馬鞍波

 

 

圖九，SVPWM 的波形

 

本文樣機(jī)雙三相橋一共需要設(shè)置12個(gè)SVPWM波，所以仿真過(guò)程中還必須加上并設(shè)置死區(qū)時(shí)間，STEP時(shí)間，調(diào)制比等等這些參數(shù)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩恒定。仿真生成Vds信號(hào)邊沿的上升時(shí)間為300ns，下降時(shí)間為250ns。波形如圖十所示：

 

 

圖十，MOS管Vds的開(kāi)關(guān)波形

 

實(shí)測(cè)的Vds波形如下圖十一所示

 

 

圖十一，Vds實(shí)測(cè)波形

 

3.2.3 瞬態(tài)仿真的時(shí)域結(jié)果

六相的相電流波形如圖十二所示：

 

 

圖十二，六相相電流的波形

 

相電流的頻率等于載波頻率，計(jì)算公式如下

 

 

4. 仿真結(jié)果后處理

CST瞬態(tài)仿真的頻域結(jié)果可以作為參考。如果想讓仿真結(jié)果更準(zhǔn)確更接近實(shí)測(cè)結(jié)果，那么后處理就非常有必要。

 

EMC實(shí)驗(yàn)室做傳導(dǎo)發(fā)射電壓法的時(shí)候是使用EMC接收機(jī)來(lái)測(cè)量LISN上的發(fā)射的。對(duì)于EMC 接收機(jī)的測(cè)試參數(shù)設(shè)定，ISO標(biāo)準(zhǔn)CISPR25:2016有規(guī)定。如下表所示：

 

 

 

所以模擬接收機(jī)，對(duì)時(shí)域結(jié)果進(jìn)行后處理就很有必要，這里后處理可以分為兩部分：

（1）對(duì)時(shí)域結(jié)果進(jìn)行設(shè)置多個(gè)矩形時(shí)間窗口，并分別做傅里葉變換，CST軟件本身就自帶這個(gè)后處理功能。

 

（2）對(duì)傅里葉變換之后的多個(gè)頻譜進(jìn)行取最大包絡(luò)處理，生成峰值頻譜圖，并且自動(dòng)合并兩個(gè)帶寬的頻譜圖。CST軟件自身沒(méi)有這個(gè)功能，本文使用VBA腳本去實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。生成的最終頻譜如圖十三所示：

 

 

圖十三，后處理0.15MHz ～ 108MHz帶寬的LISN正極上的頻譜

 

仿真和實(shí)測(cè)頻譜對(duì)比：

 

圖十四， LISN正極上的仿真頻譜和實(shí)測(cè)頻譜對(duì)比

 

5. 傳導(dǎo)發(fā)射整改方案

測(cè)試結(jié)果分析，干擾源來(lái)自于差模路徑的干擾。本文樣機(jī)采用的整改方案為差模電感和兩個(gè) X 電容組成的π型 LC 濾波器。超過(guò)-3dB 頻點(diǎn)電壓幅值會(huì)成-40dB/十倍頻的衰減。

 

差模電感采用磁芯為鐵粉芯磁環(huán)進(jìn)行繞制的線(xiàn)圈。鐵粉芯相比于鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)：

（1） 相比于鐵氧體，鐵粉芯價(jià)格低廉，性?xún)r(jià)比高，感量-頻率響應(yīng)穩(wěn)定性好。

（2） 鐵粉芯有比鐵氧體高得多的飽和磁通密度，不容易磁飽和。

 

鐵粉芯相比于鐵氧體的最大缺點(diǎn)是相對(duì)磁導(dǎo)率太低，只有 10～100，導(dǎo)致電感感量不夠大。本文樣機(jī)采用的鐵粉芯相對(duì)磁導(dǎo)率來(lái)自供應(yīng)商提供的相對(duì)磁導(dǎo)率-頻率曲線(xiàn)，通過(guò)CST 軟件擬合出 Mu′,Mu″曲線(xiàn)。如圖十五所示：

 

 

圖十五，Mu′,Mu″曲線(xiàn)

 

使用 Python 讀取差模電感 3D 模型里面鐵粉芯材料的 Mu′值，得到相對(duì)磁導(dǎo)率和頻率的列表。把下列公式用 Python 語(yǔ)言寫(xiě)出來(lái)，根據(jù)相對(duì)磁導(dǎo)率逐個(gè)計(jì)算出電感值，生成電感-頻率響應(yīng)曲線(xiàn)圖，如圖十六所示

 

 

 

μ0 為真空磁導(dǎo)率，A 為磁環(huán)橫截面積，n 為線(xiàn)圈匝數(shù)，l 為磁路長(zhǎng)度

 

 

圖十六，電感-頻率曲線(xiàn)圖

 

20Hz～1MHz帶寬下，計(jì)算得出電感值為5.25uH～4.68uH，使用LCR電橋測(cè)得電感值為5.05uH～4.26uH. 對(duì)差模電感3D建模之后仿真生成S參數(shù)以TOUCHSTONE格式導(dǎo)入到電路中，瞬態(tài)仿真得到的時(shí)域信號(hào)重復(fù)之前的后處理步驟。整改效果還是很明顯，頻譜如圖十七所示：

 

 

圖十七，整改頻譜結(jié)果

 

6. 結(jié)束語(yǔ)

本文基于CST Mircowave Studio 2021建立了包括線(xiàn)束、濾波電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)模塊等在內(nèi)的EMC系統(tǒng)模型。介紹了一種EMC的建模，仿真，整改的系統(tǒng)化仿真流程，并且應(yīng)用VBA和Python二次開(kāi)發(fā)去實(shí)現(xiàn)EMC仿真中所需要的功能，不但使仿真覆蓋面廣、精度高，而且大大的提高了仿真效率。仿真得到的傳導(dǎo)發(fā)射數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，其中低頻部分的仿真結(jié)果更加接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，說(shuō)明在電機(jī)系統(tǒng)的EMC建模中，寄生參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置直接影響著仿真模型的可靠性。

 

資料來(lái)源：達(dá)索官方