1.2.1 电机驱动系统EMC问题

电机驱动系统是新能源汽车的关键部件，采用功率半导体器件（如IGBT等）进行脉冲宽度调制（PWM）控制，以实现对电机控制器输出电压的调节。功率半导体器件的快速通断产生较高的电流变化率di/dt和电压变化率du/dt，会产生不期望的电磁噪声，不仅会影响车内外无线电接收设备，也会通过高压电源线影响其他车载高低压部件。此外，电机驱动系统产生的这种电磁噪声，不仅会使自身设备不能满足EMC标准限值要求，还会导致整车不能满足EMC标准限值要求。

为了抑制这种电机控制器功率半导体器件通断带来的电磁干扰（EMI），主要有PWM控制策略优化、系统结构优化、安装EMI滤波器三种方法。PWM控制策略优化方法较多用于减小共模干扰。系统结构优化方法通常采用逆变器拓扑结构和电机定子绕组结构优化方法，来减小共模干扰。另外，这种方法需要重新进行系统设计，周期较长、难度较大。安装EMI滤波器是抑制电机控制器电源EMI的有效方法，电源EMI滤波器包括有源滤波器、无源滤波器和混合滤波器。有源滤波器和混合滤波器结构复杂，其电子控制单元和信号采集单元的特性会降低高频EMI抑制效果，对环境适用性也要求较高。无源滤波器是抑制电源EMI最常用的且便于工程实现的方法。无源滤波器一般由差模电感、差模电容、共模扼流圈和共模电容、共模变压器等构成各种拓扑结构，实现对电源共模和差模传导骚扰的有效抑制。新能源汽车电机控制器EMI滤波器与工业用电机控制器EMI滤波器有以下不同：

1）供电系统是高压直流电，输入直流电压范围为200～900V。

2）高压直流电源线的电流较大，通常为几百安培。

3）根据EMC标准限值要求，传导电磁干扰抑制频率范围是150kHz～108MHz，而其他应用领域的传导EMI抑制的频率低于30MHz。

4）负载动态变化。

（1）电驱动系统电磁干扰

功率器件（例如IGBT）的快速通断是电驱动系统电磁干扰的主要原因。电磁干扰源通过电磁耦合传输路径形成差模干扰和共模干扰，由于系统结构以及电气与机械特性要求不同，目前工业用电机驱动系统电磁干扰的形成机理在电动汽车上的应用具有很大的局限性。

目前，国内外电动汽车电磁发射测试主要是根据标准GB/T 18387—2017和SAE J551-5—2012测试150kHz～30MHz整车的电磁场发射强度，为了保护车载接收机免受电驱动系统高压零部件的干扰，通过测试动力直流母线的传导电压、传导电流和辐射电磁场强度，来描述电磁干扰的特性。目前，国内多家电动汽车零部件供应商和整机厂对电机驱动系统及整车进行了带载传导发射和辐射发射摸底试验，没有经过EMC设计的产品很难满足标准限值要求，阻碍了新能源汽车上公告。经过EMI抑制的电机控制器再次测试仍存在超标现象，如图1-1所示。

电动汽车电机驱动系统的电磁干扰测试分为传导骚扰测试和辐射骚扰测试。由线路阻抗稳定网络（LISN）和电流钳测试得到的传导骚扰是共模干扰和差模干扰的混合结果，而由天线测试得到的辐射骚扰是电磁场矢量叠加形成的总和。通过传导和辐射骚扰测试对共模干扰和差模干扰形成的机理只能进行一些定性分析，但不能涵盖电动汽车多工况动态运行时的电磁干扰的特征现象，也不能分析系统部件以及电机控制器内部元件对电磁干扰的影响，因此具有很大的局限性。

但通过对电磁干扰源与电磁干扰路径建模仿真的方式，可以涵盖电动汽车多工况动态运行时电机驱动系统电磁干扰的各种状态，因此基于建模仿真的电磁干扰的预测和抑制方法的相关研究也越来越必要，电磁干扰建模仿真已成为进行电磁干扰机理分析和预测的重要技术途径。

（2）电机驱动系统电磁干扰发射建模仿真

国内外很多学者对共模干扰和差模干扰进行了建模仿真研究。共模干扰建模仿真主要围绕逆变器的散热器对地分布电容、线缆对地分布电容、电机绕组对机壳的分布电容对共模干扰的影响进行相关研究。差模干扰建模仿真主要围绕电驱动系统寄生参数对差模干扰的影响进行相关研究。电磁干扰发射仿真模型主要由电磁干扰源模型和传输电磁耦合路径模型两部分组成，其中传输电磁耦合路径的特性参数直接影响差模干扰路径和共模干扰路径，进而影响总的电磁干扰响应特性。

目前，研究系统各组成部分的电磁发射模型较多，但围绕整个电驱动的系统行为所进行的传导和辐射电磁干扰建模仿真研究较少。目前电机控制器三相脉宽调制（PWM）逆变器各个功率器件开关状态很多等效为理想干扰源，没有考虑功率器件的寄生参数和非线性工作特性对干扰源信号的影响。电驱动系统电磁发射仿真模型由动力电池仿真模型、直流和交流动力线缆仿真模型、电机仿真模型和功率逆变器（如IGBT模块、DC模块、散热器、机箱）仿真模型组成。动力电池仿真模型主要研究电池对车体的分布参数的影响，直流和交流动力线缆仿真模型多采用传输线理论进行建模，电机仿真模型多基于端口阻抗幅频特性构建高频等效电路模型。

对逆变器仿真模型而言，C. Jettanasen、B. Revol和J. Espina等人多采用二端口等效电路法和线性矩阵等效法分析和预测电磁干扰，但都没有考虑逆变器内部电路的寄生参数对电磁干扰的影响；J. Lai和Huang等人建立了逆变器内部高频等效电路模型，分析高频寄生参数对电磁干扰特性的影响，提出寄生参数的提取是建立高频电路模型的关键，但由于干扰源过于简化、参数提取不完整，这种电路模型只适用于低于10MHz的传导电磁干扰仿真。

因此，切实可用的逆变器仿真模型的合理建立和优化日益成为电动汽车电驱动系统电磁发射的核心问题，进而亟须解决。

（3）系统行为级仿真建模的优点及存在的问题

系统集总电路建模仿真中电路元器件的物理参数很难获取、电机控制器功率逆变电路比较复杂，致使集总电路时域仿真时间长、难以收敛，只能在低频预测传导发射且预测精度差。其中，频域仿真尽管相对时域仿真具有仿真快速、易收敛的优点，但由于模型简化和寄生参数提取困难，电磁干扰预测精度难以保证。

系统行为级仿真建模可以解决上述集总电路建模仿真中存在的问题，但目前研究者多采用基于戴维南和诺顿等效电路建立的系统二端口或三端口的等效电路的仿真建模方式，只能分析电机控制器直流端口或交流端口的电磁干扰，无法分析端口之间的干扰（如交流输出端口对直流输入端口的电磁干扰）。其中，Jettanasen提出了一种二端口等效电路仿真模型以预测系统总的电磁干扰，但由于电磁干扰源和逆变器模型过于简化，只适用于低于10MHz的仿真。

就逆变器的仿真建模而言，因其自身的复杂性，基于系统行为级仿真建模方式的逆变器的仿真建模是电驱动系统电磁发射仿真建模的难点。

（4）功率逆变器电磁发射的建模仿真

目前，通常把功率逆变器作为一个“黑匣子”进行电磁发射全波建模仿真。尽管电磁发射全波建模仿真方式仿真精度高，但由于仿真时间长、计算机占用内存高，不能对逆变器的非线性元件进行建模，所以不能在系统元件上进行电磁干扰溯源。

模型降阶（MOR）建模仿真方法是利用网络传输特性S参数建立等效电路，但因不能分析元件的物理特性而有很大的局限性。

为了分析逆变器内部元件对电磁干扰的影响因素，目前较为理想的建模仿真方式是采用SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）等效电路建模方式对系统元件的寄生电路参数进行建模，建立系统元件几何尺寸和寄生电路参数的关系，分析共模电流和差模电流产生的机理就SPICE等效电路建模方式而言，目前系统中SPICE高频电路模型寄生参数的提取主要有多种方法。其中，3D有限元方法只适合对“黑匣子”系统提取参数，部分单元等效电路（PEEC）方法需要成百上千的电路元件等效成一个简单元件的电路，这两种方法不适合应用于逆变器复杂高频电路的建模仿真。时域反射仪（TDR）和传输线理论因提取参数精度不高而存在缺陷。M. Reuter提出的基于测量的逆变器建模方法将测量得到的散射参数等效为共模和差模阻抗，Su等人提出了一种基于三相交流电机共模阻抗和差模阻抗的测量的电磁干扰建模方法，但此类方法将逆变器作为一个“黑匣子”，没有对逆变器内部元件寄生电路的寄生参数进行提参。

（5）逆变器系统电磁干扰抑制方法

三相PWM逆变器电磁干扰抑制方法包括软开关技术、优化PWM控制算法及在动力输入和输出线缆上加装滤波器的方法。由于软开关技术、优化PWM控制算法的EMI抑制效果有限，所以滤波技术是电机逆变器电磁干扰抑制的常用方法。

在产品研发后期，通常采用全波建模方法进行电磁干扰抑制的滤波设计。全波建模方法将逆变器等效为一个“黑匣子”，不知道逆变器内部的干扰源和传播路径，只能在逆变器外部和线缆上加滤波器和屏蔽，在逆变器外部切断干扰路径。在这种外加抑制电磁干扰的方法研究中，Akagi设计了电磁干扰滤波器，抑制了电机侧的共模电压、电机轴承对地的漏电流和逆变器对地的共模漏电流。但该种方法只对小功率工业电机30MHz以下的EMI抑制有效，没有考虑逆变器内部元件寄生参数的影响。S. Wang和H. Bishnoi等人设计了一种电磁干扰滤波器，抑制了逆变器的散热器和电机支架对车体的共模电流。X. Gong提出了一种EMI共模滤波器设计方法，用于抑制逆变器碳化硅场效应晶体管（SiC JFETs）产生的传导共模干扰和差模干扰。M. Reuter和D. Piazza等人提出了在逆变器与车体或电机与车体之间串入阻尼电阻，可以抑制串联谐振产生的共模电流。电动汽车电机驱动系统因高功率、大电流，设计的电磁干扰滤波器体积较大，占用车内有限的空间。为了有效地抑制电动汽车电机驱动系统电磁干扰，必须考虑逆变器寄生元件产生的谐振影响，在产品设计和开发初期，对逆变器内部电路进行电磁兼容优化和电磁干扰抑制设计。

然而，这种外加抑制电磁干扰的方法不仅会增加系统的体积和重量，还会产生新的电磁干扰，此外，因忽略了逆变器内部寄生元件产生的谐振影响，所以不能有效地抑制电磁干扰。以上研究方法通常只能对30MHz以下电磁干扰抑制有效，而电动汽车动力线缆会产生150kHz～110MHz传导发射，现有滤波器不能满足要求。基于SPICE建模方法，Natalia等人提出了一种测量与仿真结合逆变器电磁发射建模方法，建立了逆变器内部元件几何尺寸和寄生电路参数的关系，通过建立二端口网络的传输特性（S参数）和端口阻抗特性，分析引起谐振的原因，以确定产生谐振的逆变器内部寄生元件，提出了在逆变器内部直流端加RC滤波器、交流端加共模扼流圈抑制电磁干扰的思路。

本书重点描述：考虑功率半导体寄生参数的电机逆变器系统高频等效电路模型建立方法，来预测传导电磁干扰，为预测传导骚扰提供了仿真平台。基于建立的高频等效电路模型，预测高压电源线传导骚扰，并确定影响电磁干扰形成的主要元件参数。针对电动车辆高压直流供电电机驱动系统，提出高压端口宽频段传导骚扰抑制方法、一种基于谐振点传导发射抑制的滤波电路优化设计方法、采用磁环的高压直流电源线EMI滤波器设计方法和采用空心电感的高压直流电源EMI滤波器设计方法，降低了150kHz～108MHz频段的传导发射，以满足标准限值要求。通过建模仿真和试验结合的方法，预测在典型工况下的电机驱动系统EMI，获得EMI特性。