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現(xiàn)代汽車逐漸向電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的方向發(fā)展，作為電動汽車低壓電氣設(shè)備的“公共電源”和蓄電池電力補充的DC-DC變換器，被稱為電動汽車電子電器的“心臟”，其電磁兼容性能的好壞決定電動汽車在車內(nèi)外復(fù)雜電磁環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和安全性。其中，DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射的電磁兼容性能尤為重要，傳導(dǎo)干擾會直接注入與DC-DC變換器相連的車內(nèi)全部低壓電器，嚴重污染低壓電器的供電電路，甚至影響低壓電器的正常工作。

目前，車載DC-DC變換器的電磁兼容性能是在樣件生產(chǎn)和調(diào)試完成后開展測試和評估的，國標GB/T 18655—2018《車輛、船和內(nèi)燃機無線電騷擾特性 用于保護車載接收機的限值和測量方法》對傳導(dǎo)電壓法的測試方法和限值有詳細的規(guī)定，如果測試結(jié)果超過限值，需要對DC-DC變換器內(nèi)器件進行多次更改甚至修改電路，直到滿足要求。相比DC-DC變換器實物的測試和整改，產(chǎn)品工程師更希望通過仿真來預(yù)測和評估DC-DC變換器的電氣性能甚至電磁兼容性能。

車載DC-DC變換器主電路具有低壓大電流輸出、高低壓隔離等特點，通常采用變壓器隔離型Buck拓撲和開關(guān)管零電壓開通脈寬調(diào)制（PWM）控制方式的全橋變換器結(jié)構(gòu)。可利用專業(yè)電源仿真軟件Simetrix對變換器電路進行仿真，求解器件的電流和電壓，計算得到不同變換器拓撲結(jié)構(gòu)的電壓增益、導(dǎo)通損耗和變換器效率等電氣性能。

在研究DC-DC變換器電磁兼容性能方面，有將有源和無源器件的高頻模型添加到車載電源的主電路中，在Saber軟件中搭建含高頻等效電路模型的車載電源的傳導(dǎo)干擾仿真電路，實現(xiàn)對比寄生參數(shù)、對地電容對不同位置傳導(dǎo)干擾影響的情況；也有利用Matlab/Simulink對Buck、Boost等變換器進行電路方程和器件等效模型構(gòu)建，仿真并比較兩種方法的瞬態(tài)變化和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

這些方法僅將無源器件和有源器件的寄生參數(shù)通過RLC簡單的并串聯(lián)等效電路來描述，定性分析了DC-DC變換器不同電路組成對傳導(dǎo)干擾的影響。在變換器的器件建模方面，明確了開關(guān)器件是電磁干擾（electro- magnetic interference, EMI）的主要噪聲源，開關(guān)器件的寄生振蕩是高頻EMI的重要組成部分，振蕩頻點會出現(xiàn)EMI峰值，通過開關(guān)器件分段暫態(tài)模型仿真得到電流頻譜與電流測量值有較好的一致性。

對于影響EMI的重要無源器件——磁心變壓器，通過比較多種建模方法，明確了有限元方法是分析幾何特性復(fù)雜的變壓器的非線性參數(shù)較優(yōu)選的方法。數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）對開關(guān)管驅(qū)動的仿真電路中也是通過算法轉(zhuǎn)換為電壓信號實現(xiàn)對功率開關(guān)管的控制。

廣汽埃安新能源汽車有限公司的李建群，在2022年第11期《電氣技術(shù)》上撰文，提出一種場路協(xié)同仿真方法，可用于預(yù)測電動汽車DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射的電磁兼容性能。

圖1 DC-DC變換器帶屏蔽結(jié)構(gòu)仿真模型

研究人員以電動汽車用隔離型Buck拓撲的全橋DC-DC變換器為例，詳細說明利用有限元法得到磁心器件、印制電路板（printed circuit board, PCB）等無源器件等效模型的建模方法，驗證無源器件的電磁性能及功率開關(guān)器件SPICE模型的電氣性能后，進行傳導(dǎo)電壓法場路協(xié)同仿真。通過該方法得到電動汽車DC-DC變換器的傳導(dǎo)噪聲電壓，仿真與實測結(jié)果在量級、趨勢和尖峰方面都有很好的一致性，表明該方法有較好的可行性和準確性。

他們指出，該方法僅需要版圖設(shè)計文件、磁心器件規(guī)格書、器件數(shù)據(jù)手冊和殼體三維模型就可以預(yù)測和評估變換器傳導(dǎo)發(fā)射的電磁兼容性能，因此特別適用于DC-DC變換器開發(fā)前期；同時也適用于此類問題的整改過程，只需要在仿真電路中進行調(diào)整輸出端濾波電容值、添加磁環(huán)等改進，就可以快捷而準確地評估改進前后的差異，為DC-DC變換器傳導(dǎo)干擾問題的定位和改善提供有力支撐。

圖2 完整DC-DC變換器三維模型網(wǎng)格

據(jù)介紹，通過三維電磁場仿真軟件建立由磁心器件、PCB版圖和地回路組成的完整的DC-DC變換器三維有限元模型，將計算得到的傳輸參數(shù)矩陣的等效模型放入系統(tǒng)級仿真軟件中，與開關(guān)管非線性模型、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（line impedance stabilization network, LISN）模型及控制電路模型進行場路協(xié)同仿真，由于有限元模型、開關(guān)管非線性模型都有較高準確性，保證了DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射電磁兼容性能仿真結(jié)果的準確性。

圖3 整改前后的仿真模型

此外，還可以進行多種改進并快速預(yù)測結(jié)果，加入nF級濾波電容可以對高頻噪聲進行約30dB有效抑制，加入μF級濾波電容可以對高低頻噪聲進行約40dB有效抑制，加入磁環(huán)可以對高低頻噪聲進行約10dB有效抑制。同時表明DC-DC變換器中開關(guān)電路產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲主要對整個測試頻段內(nèi)的較低頻率產(chǎn)生影響。

研究人員強調(diào)，包含三維有限元模型和開關(guān)管非線性模型的場路協(xié)同仿真方法，是一種準確且有實用價值的電動汽車DC-DC變換器傳導(dǎo)發(fā)射電磁兼容性能預(yù)測和評估方法。它能夠?qū)Χ喾N改進方案進行仿真，快速預(yù)測結(jié)果并確認最優(yōu)的改進措施，可顯著縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品整改難度，特別適用于產(chǎn)品正向開發(fā)及問題定位和整改，具有很好的可行性和實用性。

本文編自2022年第11期《電氣技術(shù)》，論文標題為“電動汽車DC-DC變換器傳導(dǎo)電壓法仿真研究”，作者為李建群。