電動汽車DCDC電磁干擾原因、測試、標準

電動汽車的DCDC 變換器，目前技術的主要發展迭代，一個重要目標就是提高功率密度，而其中最主流的技術路線就是提高開關頻率。這就帶來了一個問題，功率器件工作在高頻開關模式，開通關斷時容易產生嚴重振蕩， 這成為了電動汽車電氣系統中主要的電磁干擾EMI（Electromagnetic interference）源頭之一，並且有發射能力日漸提高的趨勢。

1 典型DCDC工作過程

DCDC在電動汽車上的基本功能是將動力電池提供的高壓電源，變換成適合車載電氣使用的電壓等級，不同車輛的電壓平台不同，一般有12V、24V，新提倡的系統48V。DCDC的內部拓撲結構不盡相同，但其電磁發射的主體部分都類似。以一個典型DCDC拓撲結構為例，說明各個器件在工作過程中的角色。

ZVS (Zero Voltage Switch)移相全橋主電路拓撲如上圖所示。該電路利用硬體電路中的電容和電感在高頻開關模式實現諧振， 使開關管關斷時電流先下降至0，電壓才開始上升；或者開關管開通時電壓先下降至0，電流才開始上升，這減小了di/dt 和du/dt的重疊，不僅降低了開關損耗，而且減小了振蕩尖峰電壓和浪涌電流，對EMI有很大的抑制作用。圖中Vin是輸入高壓直流，Q1～Q4是MOSFET，C1～C4分別是Q1～Q4的結電容，Lr是串聯諧振電感與變壓器漏感總和，T是主變壓器，Lf1～Lf2是輸出濾波電感，DR1～DR2 是輸出整流二極體，Cf是輸出濾波電容，Load 是輸出負載。

為實現ZVS PWM 軟開關，斜對角的開關管的關斷時間應該相互錯開， 即一隻開關管先關斷一段時間之後再將另一隻開關管關斷。當開關的切換方式為＋1/0 或－1/0 時，稱作超前橋壁工作狀態；當開關的切換方式為0/＋1 或0/－1 時，稱作滯後橋壁工作狀態。DC/DC 變換器主電路和驅動電路中存在大量的半導體器件，MOSFET和輸出整流二極體工作在高速開關狀態時di/dt和du/dt 都將產生高頻、尖峰振蕩雜訊，並通過輸入端和輸出端產生嚴重的輻射和傳導干擾。

2 DCDC 變換器中EMI 分析

當電動車輛行駛時，駕駛員通過油門、剎車、使用車燈控制撥桿和使用空調旋鈕等發出請求，DC-DC 轉換器分別啟動傳輸交直流高壓電流至驅動電機，傳輸低壓大電流為低壓蓄電池充電等功能。由於自身EMI 能力強，會引發電子剎車系統失效、電子油門失效、驅動電機轉速異常和車身控制系統失效等風險。

產生電磁干擾的主體：磁性元件（電感或變壓器）、功率開關器件、輸出整流濾波電路。高頻變壓器的初級線圈、功率開關器件和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射，形成輻射干擾。如果DCDC 變換器輸入端濾波電容的容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導騷擾。

功率開關器件

在DCDC 變換器中，功率開關管與高頻變壓器的初級線圈相連形成開關節點，在開關轉換瞬間產生的du/dt 是主要的干擾源。在開關管導通瞬間，初級線圈產生很大電流，根據公式U= L* di/ dt，其兩端產生較高的浪涌尖峰電壓；同樣在開關管截止瞬間，變壓器初級迴路斷開，初級線圈上的漏感儲能迅速釋放與開關管集電極的分布參數（寄生電容與寄生電感）共同作用形成開關管電壓波形上的衰減震蕩和關斷尖峰電壓。功率開關管導通與斷開兩個轉換階段產生的電磁干擾類型都屬於傳導型電磁干擾，都是由瞬變的磁化衝擊電流形成的。這種干擾傳遞是雙向的，既會影響DCDC變換器內部正常工作，還會將干擾信號返回母線，造成更多的高次諧波影響。

輸出整流濾波電路

輸出整流二極體在正嚮導通時PN 結內積累電荷，在截止時積累電荷將消失併產生反向電流。由於DCDC 變換器的開關頻率高，使二極體從導通到截止的轉換過程極短，如此短的時間內讓存儲的電荷消失必然產生大的反向電流浪涌。由於變換器中的分布電感、分布電容、浪涌會引起高頻衰減震蕩產生干擾。

干擾信號類型：共模干擾和差模干擾

DC/DC 變換器的開關頻率範圍，一般從幾十kHz到幾MHz，所以傳導型電磁干擾是主要的電磁干擾耦合方式，分為差模（DM）干擾和共模（CM）干擾兩種方式。差模干擾是主要存在於電源相線與中線及相線與相線之間的干擾，屬於載流體之間的干擾，其干擾源可以認為是di/dt 相當於電壓源。共模干擾是存在於電源任一相線對大地或中線對大地間的干擾，屬於載流體與大地之間的干擾，其干擾源為du/dt ，可以等效成電流源。實際電路中，上述兩類干擾方式在電路中同時存在，並且因傳輸線路節點前後阻抗的不匹配，兩種干擾在傳輸中還會相互轉化。

3 防範電磁干擾的方法

3.1 功率開關器件產生電磁干擾的抑制

DC/DC 變換器主要的干擾源是功率開關器件在導通與截止瞬間產生的高尖峰電壓。因此，減小功率開關管轉換期間的du/dt成為了抑制電磁干擾的基本思路。常採用諧振開關的方法，研究表明具有電壓鉗位的零電壓定頻DCDC變換器的EMI電平最低，並且可以有效減少分布電感、分布電容產生的寄生振蕩、還可以降低開關損耗。

3.2 高頻變壓器產生的電磁干擾的抑制

對於高頻變壓器產生的電磁干擾問題，抑制措施的核心點是減少其自身的寄生參數，包括初、次級繞組線圈的漏電感、分布電容、繞組線圈的銅損及磁芯的鐵損。可以採用平面變壓器代替傳統普通的變壓器。平面變壓器磁芯材質採用高功率鐵氧體材料，在高頻下有較低的磁芯損耗，繞組線圈採用多成電路板疊繞而成，與平面鐵芯構成變壓器的磁迴路。這種平面變壓器的直流損耗低、漏感和分布電容低，可以滿足諧振電路的要求，並且磁芯具有良好的磁屏蔽，可以抑制射頻干擾。

3.3 輸出整流二極體產生的電磁干擾的抑制

DC/DC 變換器的輸出整流二極體常選用肖特基二極體或超快速恢復二極體。其在截止瞬間有很高的di/dt ，除了可以採取並聯RC吸收迴路的辦法，還可以利用輸出濾波電容中的等效電感削弱電容的高頻旁拉作用，增加形成二級濾波作用的結構。

3.4 PCB 電路板的合理走線與布局設計

PCB 電路板走線與元器件合理的布局設計，同樣能有效地降低DCDC變換器的EMI。走線方面應該盡量增大線間距離，降低電容耦合與線間互感；減小干擾源和敏感電路的環路面積，以降低輻射發射干擾；實施靜電屏蔽，屏蔽層採用網格接地的方法。布局方面應該使各個元器件盡量緊密排列並將相互關聯的元器件擺放在一起。

3.5 EMI 濾波器

DCDC 變換器電源線的傳導干擾主要包括共模干擾和差模干擾。由於電源線間一般同時存在共模干擾和傳導干擾，EMI 濾波器設計往往由共模濾波器和差模濾波器共同構成。其中，共模濾波器和差模濾波器分別對應於共模干擾和差模干擾有較強的衰減作用。共模濾波器針對低頻雜訊時主要是共模電感起衰減作用；針對高頻雜訊大部分由共模電容即Y 電容起衰減作用。差模濾波器一般由低通濾波元件組成，最常用的是電容（一般稱作X 電容） 直接並聯在兩根電源線之間形成的輸入濾波電路。選取適當容量的電容，將對高頻雜訊具有較強的抑制作用。

3.6 頻率抖動技術抑制電磁干擾

頻率抖動技術，利用擴散頻譜能量來降低諧波幅值。該方法相對於恆定開關頻率PWM控制方式而言的，其「抖動」是指PWM發生器在脈寬調製的同時，開關頻率圍繞某個固定頻率變化。實質上是在總能量不變的前提下，將集中在諧波上的能量擴散到該頻率附近的一定帶寬內，從而得到較低的幅值，降低EMI雜訊。

4 電磁兼容能力驗證

關於電磁兼容性能驗證，有文章給出了具體的驗證方式，內容大致如下：

一般使用三種方法來考察DC-DC 轉換器EMI特性，分別為輻射騷擾測試、電源端傳導騷擾測試、控制信號線傳導騷擾測試。

輻射騷擾測試是從空間電磁輻射量上來考察DCDC轉換器對外的輻射發射量，使用3m 法半電波暗室，並針對測試的頻率段不同，分別使用單極棒天線（0.15~30 MHz）、雙錐天線（30~200MHz）、對數周期天線（200~1 000 MHz）、喇叭天線（1 000~2 500 MHz），設置在空間中，接收DCDC轉換器工作時對外的輻射量。在1000MHz以下，天線正對樣品線束，1000 MHz 以上天線正對樣品。

電源端傳導騷擾測試，是在DCDC轉換器工作時，通過對電源線的監控騷擾數值，來考察是否會對車用電網造成衝擊，直接使用同軸線纜將測量接收機和人工電源網路上的測量介面相連接，分別讀取輸入DCDC轉換器的正極電源端和負極電源端騷擾量。

控制信號線傳導騷擾測試，是對DCDC轉換器控制和信號線上電流對外騷擾量進行考察，一般使用電流鉗讀取控制信號線的騷擾量，並對其進行考察。分別對靠近DCDC轉換器和靠近線束中心這兩個位置進行讀取。

5 DCDC電磁兼容標準

關於DCDC電磁兼容標準，已經有相關國標存在。《GB/T 24347-2009 電動汽車DC∕DC變換器》是專門為電動汽車DCDC的制定的國家標準，關於電磁兼容的規定在5.12節，指出「DCDC在運行過程中產生的傳導干擾和輻射干擾不應超過GB 18655-2002中第12章和14章規定的限值。」

《GB/T 18655-2010 車輛、船和內燃機 無線電騷擾特性 用於保護車載接收機的限值和測量方法》,其早期2002年版本等同採用國際電工委員會／無線電干擾特別委員會IEC／CISPR 25：1995《用於保護車載接收機的無線電騷擾特性的測量方法及限值》。

目前電動汽車零部件電磁兼容的騷擾特性，主要依據就是這個標準。關於電動汽車電磁兼容標準，在之前的文章中有過一次總結，題目《電動汽車電磁兼容性測試標準整理》，有興趣的童鞋可以翻過去看看。

本文整理自下列文獻：

1 王嵩，電動汽車中DC_DC變換器拓撲結構及其電磁兼容技術；

2 余修華，頻率抖動技術抑制DC_DC變換器電磁干擾的模擬；

3 游元傑，ISO 26262 關於驗證電磁兼容安全性方法的運用研究；

4 縱衛衛，電動汽車DC_DC變換器電磁干擾優化研究；

5 GBT 24347-2009 電動汽車DC∕DC變換器；

6 許曉慧，基於電動汽車裝置DC_DC變換器的研究；

7 電動汽車電磁兼容性測試標準整理。

（圖片來自互聯網公開資料）