电动汽车用IGBT及逆变器的电磁兼容性分析

电动汽车用IGBT及逆变器的电磁兼容性分析 第40卷 第6期:1732-1737 2014年6月30日 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.06.018 高电压技术 High Voltage Engineering Vol.40, No.6: 1732-1737 June 30, 2014 郭彦杰，王丽芳，廖承林 (中国科学院电工研究所电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190) 摘 要:为了抑制电动汽车中的电磁干扰，提高整车的稳定性和安全性，建立了包含杂散参数的绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)和三相电压型脉宽调制(PWM)逆变器的等效电路模型，计算得到了IGBT对周边设备的干扰传播增益;并通过仿真和实车实验分析了电动汽车用逆变器差模电压和共模电流干扰的时域、频域特征以及IGBT开PWM控制策略和干扰传播路径阻抗对干扰特性的影响。关过程、得出如下结论:逆变器的差模干扰主要是由IGBT开关过程和PWM控制策略所决定;逆变器的共模干扰本质上是由三相PWM脉冲之和不为0所引起，并且更多的受干扰传播路径阻抗特性的影响。上述模型和结论为整车电磁兼容性分析和干扰抑制打下了良好的基础。 关键词:电磁兼容;电磁干扰;绝缘栅极双极型晶体管;等效电路模型;杂散参数;逆变器;电动汽车 ——————————————————————————————————————————————— Analysis of EMC Characteristics on IGBT and Inverter in Electric Vehicles GUO Yanjie, WANG Lifang, LIAO Chenglin (Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive, Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) Abstract:In order to suppress the electromagnetic interference (EMI) in electric vehicle (EV) and consequently improve the stability and safety of EVs, we established equivalent circuit models of insulated gate bipolar transistor (IGBT) and pulse width modulation (PWM) inverter that took stray parameters into consideration. Based on the models, the interfe-rence propagation gains were calculated to estimate the influences of IGBT on other setups. Furthermore, the three-phase inverter used in EV was analyzed by simulation to get both time-domain and frequency-domain characteristics of interfe-rences from the inverter’s output differential mode (DM) voltage and its common mode (CM) current. The effects of IGBT switching, PWM control strategy, and propagation path impedances on the interference characteristics were also analyzed through simulations and practical EV experiments. It is obtained that the inverter’s DM EMI is determined by IGBT switching processes and PWM control strategy, while its CM EMI is basically caused by the non-zero sum of three-phase PWM pulses, and it is affected more ——————————————————————————————————————————————— by the impedance of its propagation paths. The results have laid a foun-dation for the analysis and suppression of EV EMI. Key words:electromagnetic compatibility; electromagnetic interference; IGBT; equivalent circuit model; stray parame-ters; inverter; electric vehicle 0 引言 近年来，随着电动汽车的发展，其电磁兼容(electromagnetic compatibility, EMC)问题也越来越受到关注。电驱动系统由于内部的电 力电子设备长时间在高电压、大电流的条件下工作，而成为电动汽车 内的主要干扰源。电动汽车内部有很多重要的弱电控制和执行单元， 这些设备一旦受到干扰，就会严重影响整车的稳定性和安全性。由此 可见，电动汽车电驱动系统的电磁兼容性研究有着重要—————— — 基金资助项目:国家高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (863计划) (2011AA11A262)。 Project supported by National High-tech Research and Development Pro-gram of China (863 Program) (2011AA11A262). [1] 意义。 电力电子驱动系统电磁兼容性的研究可以通过对整个系统建模 来分析电磁干扰产生机理进而提出合理的抑制方法 [2-3] ——————————————————————————————————————————————— ;也可以采用频域或者时频结 合的方法，利用3D有限元软件仿真来分析逆变器等设备的电磁干扰;还可以通过测量来明确电驱动系统中干扰的主要特征参数 [5-6] [4] ;并利用仿真等手 [7] 段，对汽车内部的辐射干扰进行研究。文献[8-9]提出了研究绝缘栅极双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect tran-sistor，MOSFET)器件自身电磁干扰特性的方法，分 析了开关过程du/dt对干扰特性的影响，但没有全面考虑器件的杂散参数;文献[10-11]通过器件的导通关断过程分析了DC/DC变换器和逆变器的电磁干扰形成机理和传播路径，给出了差模(differential mode，DM)和共模(common mode，CM)干扰的等效电路模型，得到了共模干扰主要分布在5.4 MHz频率附近等结论;文献[12]提出了一种小尺寸的滤波器对共模干扰进行抑制，文献[13]通过有源滤波器对充电桩的谐波进行了抑制，但2篇文献都未深入分析干扰产生的原因和机理;文献[14-15]对燃料电池客车的传导电磁干扰特性进行了研究，得到了其电驱动系统主要干扰源的最高频率分量集中在1~25 MHz，与常见的ISO 7637-2中的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 抗扰度测试波形和实测干扰波形差异很大等结论，为新标准的制定提供了依据。此外，还有一些文献对差——————————————————————————————————————————————— 模电流法 [16-17] 由Fourier分解可知，在梯形脉冲的频谱中，开关频率k次倍频的幅值F(k)为 F(k)= 4AmaxT12πd sin(k (1) 2 π2πdkT 式中:Amax为梯形脉冲的幅值;T为周期;d为上升下降沿时间。利用式(1)，求得后续仿真实验中所用到的IGBT的开关过程等效干扰源的频谱如图1所示。其中IGBT开关电压为144 V，开关频率为10 kHz，上升下降时间为1 μs。 1.2 EMC等效电路模型 由于工作原理、制作工艺等因素的影响，IGBT中存在很多杂散参数。这些杂散参数使IGBT产生的开关波形发生畸变，并且为高频谐波提供了传播路径。考虑开关过程和杂散参数的IGBT电磁兼容等效电路模型如图2所示。图中，g、c、e分别 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf GND为系统地;示IGBT的门极、集电极和发射极;Rg为门极驱动电阻;Ron和Roff分别为IGBT导通和关断时的电阻;Lc、Le、Lg为连接线电感;Ccg、Cge、Cce为集电极、门极和发射极之间的杂散电容;Rce为集电极和发射极之间的杂散电阻;Ch为IGBT高压端与散热片之间的耦合电容;Rh为表示散热片涡CGND为集电极和发射极连接线与系流效应的电阻; 统之间的杂散耦合电容。 ——————————————————————————————————————————————— 根据后续仿真实验中所用到IGBT(型号为SKM 200GB063D)技术手册中提供的相关参数，可获得或求得模型中主要参数的值:Ccg=0.75 μF、Cge=10.45 μF、Cce=0.5 μF、Ron=5.3 m?、Rce=0.35 m?、Lc=Le=10 nH、Ch?10 nF、CGND?10 nF。 1.3 干扰传播增益 利用图2的等效电路可知:IGBT开关过程产生的干扰会传播到高压侧设备，并会通过散热片耦 、传输电缆的特性 [18-21] ，以及数值仿真方 [22-23] 进行了分析，对电动汽车电力电子驱动系统 电磁兼容性的研究有一定借鉴和指导作用。 基于上述文献，本文综合考虑IGBT的开关过程、杂散参数以及干扰传播增益，提出了一种方法以便在电驱动系统中计算分析IGBT的干扰特性，在此基础上对三相电压型脉宽调制(pulse width modulation，PWM)逆变器输出差模电压和共模电流的干扰特性进行了推导分析，最后通过仿真和实车实验验证了模型和理论分析的正确性。 1 IGBT干扰特性分析 电动汽车电驱动系统产生的干扰本质上都是IGBT产由IGBT的开关过程造成的。作为干扰源，生的干扰信号主要由3部分组成:?IGBT开关频率及其倍频;?开关信号上升下降沿产生的干扰，上升和下降——————————————————————————————————————————————— 沿越陡，所包含的高频谐波分量越多;?杂散电容电感引起信号畸变而产生的干扰。 为分析IGBT的干扰特性，首先将开关频率和然后上升下降沿产生的干扰等效为干扰电压源Un，结合EMC等效电路模型分析杂散参数的影响，最后求得对不同端口的干扰电压增益，通过干扰电压增益表征IGBT的干扰特性。 1.1 开关过程等效干扰源 近似认为IGBT的导通和关断时间相等，则其开关波形可等效为一系列梯形脉冲。将等效梯形脉冲作为IGBT干扰源，结合其频域特征，能够得到IGBT开关过程的干扰特性。 图1 IGBT开关过程等效干扰源的频谱 Fig.1 Spectrum of IGBT equivalent interference source 1734 40(6) 高电压技术 2014, 合传播产生共模电流。下面以图2所示的Un作为干扰源，分别求出其干扰电压增益和转移导纳以表征和分析IGBT对不同设备的干扰特性。 通过Ch和连接电缆对地的耦合电容CGND相对于IGBT自身的杂散参数较小，故其在计算IGBT开关过程传播到高压侧设备的干扰时可以忽略。高压侧设备与IGBT端口c和e相连，故可考虑杂散参数的影响，计算得到Un对高压侧设备的干扰电压 1 Z=+R增益。定义阻抗，1ce jωCceZ2= ——————————————————————————————————————————————— 11 +，可求得端口c和e之间的干 jωCcgjωCge EMC等效电路模型 图2 IGBT Fig.2 EMC equivalent circuit model of IGBT 扰电压Un1与Un的比值为 Un1(jω)Z1Z2 = (2) Un(jω)Z1Z2+(Z1+Z2)?jω(Lc+Le)计算得到通过散热片耦合传播的共模电流对 IGBT开关过程干扰源的转移导纳，即流经Ch和Rh的电流Ic与Un的比值为 Ic(jω)Z1Z21 =? Un(jω)Z1Z2+(Z1+Z2)?jω(Lc+Le)R+ (3) h jωCh 由式(2)可见:IGBT开关过程产生的干扰有相当一部分传播到了高压侧，并且会受到杂散参数的影响。这部分干扰通过由动力电池、驱动电机及其连接导线组成的回路传导传播，同时通过导线等辐射出去，进一步影响车内弱电设备。由式(3)可见:因为Ch的值很小，所以相对于传播到高压侧的干扰，共模电流的值较小。但共模电流会通——————————————————————————————————————————————— 过耦合电容传播到散热片、车架等导体备造成影响。 [24] 图3 三相逆变器EMC等效电路模型 Fig.3 EMC equivalent circuit of three-phase inverter ，对接地的弱电设 B、C为电机的三相连接端口;L1~L6为各IGBT之间连接线的杂散电感;RA、RB、RC和LA、LB、LC分别为逆变器与电机之间三相连接电缆的电阻和电 2 逆变器干扰特性分析 2.1 三相逆变器EMC等效电路模型 对于电动汽车中常用的三相电压型脉宽调制 C7~C9为直流侧与交流侧之间的杂散耦合电容;感; C10和C11为直流侧正负极之间的杂散耦合电容;逆变器通过电容C1~C6耦合到壳体或散热片并耦合到车架。 由于IGBT多采用集成模块，从而大大减少了逆变器中包含的杂散分布参数。但在上述模型的参数中，仍有一些对整个逆变器的干扰特性有着重要的影响。例如在后续实验用到的实车中，逆变器与电机分别位于车的前部和后座处，两者间的三相连接电缆较长，故其电感量必须要考虑。同时，各种耦合参数对干扰的高频特性也有着一定的作用。 2.2 三相逆变器差模和共模干扰分析 在IGBT干扰特性基础上分析三相逆变器，首 (PWM)逆变器，除了IGBT的EMC特性外，还要考虑以下几方面:——————————————————————————————————————————————— ?逆变器直流高压端与壳体、散热片的耦合;?逆变器三相输出端与壳体、散热片的耦合;?逆变器三相输出电缆的电感和电阻;?各IGBT之间连接导线的杂散电感;?逆变器直流侧和交流侧之间的电容耦合。 综合上述因素和IGBT的模型可得逆变器等效电路模型如图3所示。其中，T1~T6为构成逆变器的6个IGBT模块，g1~g6为IGBT模块的门极驱动端，IGBT采用上文中的EMC等效电路模型;A、 先要考虑其各个器件的开关状态。以A相为例进行分析，当下桥臂T4导通时，A相输出与中点之间干扰电压Uaz(jω)=Un1(jω);当上桥臂T1导通时， 而分析其谐波特征，得到其干扰特性。 逆变器输出差模电压仿真结果的波形和频谱如图4所示，图4(a)为逆变器输出差模电压的时域波形，图4(b)为逆变器输出差模电压的频谱。可见逆变器的差模干扰电压主要来自逆变器正常工作时的三相输出线电压，主要干扰频率位于载波频率及其倍频上。由此可见逆变器的差模干扰主要是由 Uaz(jω)= ?Un1(jω)。设Fi为开关函数，i为各IGBTFi=1;的编号，当对应编号的管子导通时，反之Fi=0。并且由于上下桥臂不能同时导通，上下桥臂的开关函数之和为1，由此可得各相的干扰电压如下 ?Uaz(jω)=Un1(jω)?(F4?F1)=Un1(jω)?(2F4?1)? ?Ubz(jω)=Un1(jω)?(F6?F3)=Un1(jω)?(2F6?1) (4) ?U(jω)=U(jω)?(F?F)=U(jω)?(2F?1) n125n12?cz ——————————————————————————————————————————————— 故A、B两相之间的差模干扰电压如下: IGBT开关过程和PWM控制策略决定的，而传播路径阻抗的影响相对较小。 由式(6)可知，共模电流主要是由三相PWM脉冲之和引起的，如图5所示。不同于三相正弦波，化的四电平阶梯波，并且幅值是直流电源电压幅值的3倍。由此可见，三相PWM脉冲之和不为0是产生逆变器共模干扰的本质原因。 Uab(jω)=Uaz(jω)?Ubz(jω)=2Un1(jω)?(F4?F6) (5) 三相PWM脉冲之和不为0，而是按照载波频率变 U(jω)+Ubz(jω)+Ubz(jω) Ic(jω)=az= a+ja +Zcom 3 逆变器共模电流仿真结果的波形和频谱如图6Un1(jω)?(2(F4+F6+F2)?3) aa (6) 所示，图6(a)为逆变器共模电流的时域波形，图 6(b) +Zcom 3 通过三相中点的共模电流表达式如式(6)所示。其中Zcom为共模电流传播路径上的阻抗，包括逆变器与周围导体之间的共模耦合电容Ccou，散热片和车架的电感Lcm、电阻Rcm，以及用来表示散热片和——————————————————————————————————————————————— 车架中涡流效应的Redd，即 1 Zcom(jω)=+jωLcm+Rcm+Redd (7) jωCcou 由式(5)可得:三相逆变器输出端差模干扰电压主要与开关函数和IGBT开关过程传播到高压侧的干扰有关。由式(6)可见:共模电流与三相PWM脉冲之和有着密切的联系，同时受三相连接电缆和共模耦合电容等杂散参数的影响。由于共模传播路径中杂散参数的值较小，所以共模电流中包含有更多的高频分量。 图4 逆变器输出差模电压波形和频谱 Fig.4 Waveform and spectrum of inverter output DM voltage 3 仿真分析和实验验证 为了验证建立的模型和理论分析，基于一款采用三相电压型PWM逆变器的电动汽车进行仿真分析和实验验证。仿真通过MATLAB/Simulink实现。在实车中，逆变器载波频率为10 kHz，位于汽车后座后方;逆变器的电源为144 V的镍氢电池，也位于汽车后座后方;逆变器的负载为额定功率13 kW的永磁同步电机，位于汽车前部，前盖下方。实验利用示波器、电压电流探头测得时域波形，并通过 图5 三相PWM脉冲之和的波形 Fig.5 Waveform of the sum of three-phase PWM waves MATLAB进行快速Fourier变换得到频谱分布，进 ——————————————————————————————————————————————— 1736 40(6) 高电压技术 2014, 图6 逆变器共模电流波形和频谱 Fig.6 Waveform and spectrum of inverter CM currents 图7 实测逆变器的输出差模电压波形与频谱 Fig.7 Experiment results:waveform and spectrum of inverter output DM voltage 为逆变器共模电流的频谱。其在时域上表现为一系列衰减震荡，震荡开始时刻对应于图5中三相PWM脉冲之和发生变化的时刻。其频谱在震荡频率处包含较大的干扰，对应三相连接线电感和共模耦合电容的谐振频率，约为4 MHz。由此可见，相对于差模干扰，共模干扰除了与IGBT开关过程和PWM控制策略有关外，更多的是由传播路径的阻抗特性决定的。在实际应用中能够通过改变传播路径的电感和对车架的耦合电容来抑制共模电流。 实验测得的逆变器输出差模电压波形与频谱如图7所示，图7(a)为实测逆变器输出差模电压的时域波形，图7(b)为实测逆变器输出差模电压的频谱。实测共模电流波形与频谱如图8所示，图8(a)为实测共模电流的时域波形，图8(b)为实测共模电流的频谱。可以看到干扰波形频谱与仿真结果基本一致。特别需要注意的是，对于实际电动汽车中的共模电流，其主要干扰频率也处于4 MHz附近，与仿真结果一致，这就定量地对模型和仿真分析进行了验证。 图8 实测共模电流波形与频谱 ——————————————————————————————————————————————— Fig.8 Experiment results:waveform and spectrum of inverter CM currents 影响。IGBT开关过程产生的共模电流的值较小，但会通过耦合电 容传播并对弱电设备造成影响。 4 结论 1)电动汽车用逆变器的差模电压干扰主要是由IGBT开关过程和 PWM控制策略决定的;逆变器的共模干扰本质上是由三相PWM脉 冲之和不为 3)本文虽然是在电动汽车这一特定背景下进行的研究，但得到 的结果具有较强的通用性，可应用于电动汽车以及其他电力电子驱动 系统的电磁兼容预测研究和相关工程设计。 0引起的，并且更多地受干扰传播路径阻抗特性的影响。 参考文献 References [1] Guttowski S, Weber S, Hoene E, et al. 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