- 頭條如何預測電動汽車DC-DC變換器傳導發射的電磁兼容性能？2023-03-20 作者：李建群 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語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》上撰文，提出一種場路協同仿真方法，可用于預測電動汽車DC-DC變換器傳導發射的電磁兼容性能。
現代汽車逐漸向電動化、智能化、網聯化的方向發展，作為電動汽車低壓電氣設備的“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外復雜電磁環境下工作的穩定性和安全性。其中，DC-DC變換器傳導發射的電磁兼容性能尤為重要，傳導干擾會直接注入與DC-DC變換器相連的車內全部低壓電器，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和調試完成后開展測試和評估的，國標GB/T 18655—2018《車輛、船和內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》對傳導電壓法的測試方法和限值有詳細的規定，如果測試結果超過限值，需要對DC-DC變換器內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，產品工程師更希望通過仿真來預測和評估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拓撲和開關管零電壓開通脈寬調制（PWM）控制方式的全橋變換器結構。可利用專業電源仿真軟件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構的電壓增益、導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干擾仿真電路，實現對比寄生參數、對地電容對不同位置傳導干擾影響的情況；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建，仿真并比較兩種方法的瞬態變化和穩態響應。
這些方法僅將無源器件和有源器件的寄生參數通過RLC簡單的并串聯等效電路來描述，定性分析了DC-DC變換器不同電路組成對傳導干擾的影響。在變換器的器件建模方面，明確了開關器件是電磁干擾（electro- magnetic interference, EMI）的主要噪聲源，開關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EMI峰值，通過開關器件分段暫態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雜的變壓器的非線性參數較優選的方法。數字信號處理器（digital signal processor, DSP）對開關管驅動的仿真電路中也是通過算法轉換為電壓信號實現對功率開關管的控制。
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》上撰文，提出一種場路協同仿真方法，可用于預測電動汽車DC-DC變換器傳導發射的電磁兼容性能。
圖1 DC-DC變換器帶屏蔽結構仿真模型
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器件SPICE模型的電氣性能后，進行傳導電壓法場路協同仿真。通過該方法得到電動汽車DC-DC變換器的傳導噪聲電壓，仿真與實測結果在量級、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計文件、磁心器件規格書、器件數據手冊和殼體三維模型就可以預測和評估變換器傳導發射的電磁兼容性能，因此特別適用于DC-DC變換器開發前期；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整輸出端濾波電容值、添加磁環等改進，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變換器三維模型網格
據介紹，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矩陣的等效模型放入系統級仿真軟件中，與開關管非線性模型、線路阻抗穩定網絡（line impedance stabilization network, LISN）模型及控制電路模型進行場路協同仿真，由于有限元模型、開關管非線性模型都有較高準確性，保證了DC-DC變換器傳導發射電磁兼容性能仿真結果的準確性。
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測結果，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變換器中開關電路產生的傳導噪聲主要對整個測試頻段內的較低頻率產生影響。
研究人員強調，包含三維有限元模型和開關管非線性模型的場路協同仿真方法，是一種準確且有實用價值的電動汽車DC-DC變換器傳導發射電磁兼容性能預測和評估方法。它能夠對多種改進方案進行仿真，快速預測結果并確認最優的改進措施，可顯著縮短產品的研發周期，降低產品整改難度，特別適用于產品正向開發及問題定位和整改，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》，論文標題為“電動汽車DC-DC變換器傳導電壓法仿真研究”，作者為李建群。
