电磁干扰抑制技术
摘要
简述了传导骚扰主要机理，对电动汽车上DC-DC 控制器进行了传导骚扰测试、骚扰源的定位。对比分析了接地、屏蔽和滤波的传导骚扰整改方案，最终采用滤波方式来降低控制器的传导骚扰，满足了GB/T 18655-2018中传导骚扰限值等级3的要求。关键词
电动汽车；电磁兼容；传导骚扰；DC-DC 控制器；整改Abstract
In this paper, the main mechanism of conducted emission is described. The conduction emission test and the location of disturbance source are carried out for DC-DC controller on electric vehicle. Finally, the filter way is used to reduce the conducted emission of the controller, which meets the requirements of the standard limit level 3.
Keywords
electric vehicle; EMC; conducted emission; DC-DC controller; rectification
引言
随着国家对电动汽车产业的大力扶持，越来越多的传统主机厂和互联网车企开始电动汽车的研发和制造。与传统燃油车相比，电动汽车上的电子部件数量明显增加，同时高电压大电流的大功率器件，如电机电控、DC-DC 控制板等成为车上主要部件[1]，随之带来的整车电磁骚扰越来越严重。实际测试表明，提高零部件的电磁兼容性能，组装后的整车才能更好的满足电磁兼容要求，因此，改善电动汽车上部件的电磁辐射问题迫在眉睫。
DC-DC 控制器（以下简称“DC-DC”）作为电动车上最重要的部件之一，在进行电磁兼容测试时，发现其低压传导骚扰问题很严重，有必要对DC-DC 的传导骚扰进行研究并整改。
1 传导骚扰主要机理分析
a）开关电路
在开关管高速开通关断过程中，DC-DC 作为有源开关电源会产生很大的电磁脉冲辐射[2]。开关电路主要由开关管（IGBT）和高频变压器组成。当开关管高速开断时，IGBT 会产生宽频带、强幅度的电磁脉冲，其传导骚扰频段主要在30~50 MHz。IGBT 响应时间越快，形成的电压尖峰越强，造成的传导骚扰越严重。
典型的电动汽车DC-DC 电路图和骚扰环路如图1，
图2所示，图1为差模电流回流环路，差模电流在两根电源线间反方向流动，两者共同形成电流回路，其中电源正极线作为差模电流的源线，负极线作为差模电流的回线；图2为共模电流回流环路，共模电流在电源线上同方向流动，正负极电源线与大地构成电流回路，电源线同时作为共模电流的源线或回线。可从四个方面抑制开关电源骚扰，包括减小开关管源头对外干扰强度、减
电动汽车DC-DC 控制器传导骚扰分析与整改
Analysis and Rectification of Conducted Emission of DC-DC Controller for Electric Vehicle
襄阳达安汽车检测中心有限公司 刘方磊 丁亚平 陈俊玲
张富忠
图1 差模骚扰路径示意图
图2 共模骚扰路径示意图
EMI SUPPRESSION TECHNOLOGY
小干扰电流的环路面积、减小干扰电流的大小、减小干扰空间耦合效率。分析电路的干扰路径和干扰环路，选择合适的接地、屏蔽、滤波方式，能有效抑制传导骚扰。
b）整流二极管
DC-DC 输入的高压直流经过逆变后再通过整流二极管整流，最终输出低压直流。整流二极管在导通的瞬间会产生一个很大的电压尖峰；在由导通状态到隔断状态过程中，由于高频二极管的特性，会存在一个反向恢复时间t r ，结合二极管的引线电感，在线路上会产生反向电压尖峰，这种与二极管连接的线路中的电压、电流的快速突变是产生骚扰的根本原因。
电压尖峰的上升时间与骚扰最大频率之间的关系可以表述为f =1/2πt r ，通过计算，当电压尖峰上升时间为5 ns 时，骚扰的最高频率可达100 MHz，在满足产品性能要求的同时，上升时间越短，电压变化率越高，形成的骚扰频率越高。
2 DC-DC 传导骚扰的测试
按照GB/T 18655-2018[3]低压传导骚扰电压法进行测试，检波方式为峰值检波和平均值检波，试验布置符合标准附录I 中图I.1传导发射对高压部件的试验布置示例，测量端口为低压供电端口（回线端与供电端基本相同，这里不做测试）。本次试验样品额定功率为850 W，输入电压为309 V，输出电压为14.2 V，负载用电阻负载箱代替，负载箱最大工作电流200 A，最大电阻4.8 Ω。
低压传导骚扰测试结果如图3所示，限值线为传导骚扰限值等级3（限值等级表征在标准要求的频率点零部件/模块传导骚扰的可接受程度）。从曲线可以看到，在30~108 MHz 频段内有超标频段，峰值最大的频点在51.15 MHz 处，超出限值线32.3 dB，平均值最大频点在54.2 MHz 处，超出限值线23.5 dB。
3 骚扰精确定位
控制板上异常电信号通过印制板走线、I/O 线以后，会产生辐射骚扰和传导骚扰，两者在骚扰频率和幅
值上
相关，可通过近场探头寻骚扰源头：
a）低压控制板中心主芯片引脚线路产生尖峰骚扰，通过印制线路，传递到电源转换芯片处，通过近场探头测量（见图4（a）），电源芯片处骚扰最大，且骚扰频点与传导发射测试曲线（图3）在0.15~0.3 MHz 尖峰频点一致，如图4（b）所示；
b）电压变换电路的骚扰能通过高压直流进线和低压直流出线从控制器壳体内泄漏出去。在电源进线和出线上都探测到很大的骚扰，在30~108 MHz 骚扰波形与传导发射测试曲线（图3）基本一致。
单个的尖峰频点为窄带发射，与控制器的晶振频率、信号的上升时间、控制程序设置的开关器件的开通关断时间等有关，如改变控制程序，调整有用信号的上升时间、调整PWM 波脉宽，都会改变测试曲线中尖峰的频率和幅度。
4 整改方案
传导骚扰的整改主要集中在DC-DC 低压控制电路板上。常用的整改方法为接地、屏蔽和滤波。4.1 接地
接地的实质是将EUT 产生的骚扰或异常电信号通过EUT 外壳的接地线引入到大地（接地平板）。对高频
骚扰，EUT 金属外壳上的由辐射产生的涡流能引导到大地。但对低频骚扰，特别是传导骚扰，干扰信号将通过线缆穿过EUT 外壳，再通过线缆辐射出去，因此接地对传导骚扰影响较小。对塑料外壳来说，接地与否影响可以忽略。接地可分为内部电路板地层与外壳搭接、
图3
传导骚扰测试结果
（a）近场探测图
（b）接收机曲线
图4
近场探头测试示例
电磁干扰抑制技术
及外壳与车架搭接。板与壳体的搭接通常通过螺丝和导电泡棉来接地，壳体与车身的搭接通过导电编织网或粗导线来接地。4.2 屏蔽
屏蔽针对中高频，因为它们波长短，利用高导磁材料可以降低辐射泄漏，对低频来说，效果不明显。屏蔽分为线缆屏蔽和壳体屏蔽，线缆的屏蔽常见的是采用屏蔽电缆、双绞线等；壳体的屏蔽有导电漆、导电衬垫等。屏蔽的一种有效措施是将电源线改成带织网屏蔽层的线，这样可以防止外界的骚扰窜入电源线，也可增加DC-DC 控制器抗扰度，同时编织网应与DC-DC 接口外壳360环接在一起，形成整体的屏蔽网络。4.3 滤波
利用电容、电感和磁环等，让骚扰旁路到地或以热能的形式耗散掉。这是最方便和最有效的预防电磁
骚扰的措施，同时也是最难的措施。选择合适的滤波器件需借助测试设备，从不同的滤波器或组合滤波手段中，选择一种最合适的滤波方式来对DC-DC 的传导发射进行抑制，使之满足标准限值的要求。
如图5所示为典型的抑制电磁骚扰的滤波电路，这种EMI 滤波器能抑制电路中产生的共模骚扰和差模骚扰。图示的电容电感组合方式是开关电源EMI 滤波器的基本结构，其中L 3和L 4是绕在同一磁环上的两只独立线圈，匝数相同，绕线方向相同，称为共模电感或者共模线圈。L 1与L 2是相互独立的差模电感。当把该滤波器输入端接入骚扰源，输出端接上受骚扰的器件，那么L 3、L 4和C 2、C 3就分别组成了两对独立端口间的低通滤波器，可抑制电源线上存在的共模骚扰信号。L 1及L 2形成的一对差模电感和电容C 1组成了一个低通滤波器，可抑制电源线上存在的差模骚扰信号。
汽车辐射分析超标频点的频率，可依据RLC 滤波器理论公式进行计算
：
r 1
2f =
（1）
实际使用中，可以根据样件接口电路的电压电流特性和超标的频段选择合适的差模或共模滤波器件进行组合，以满足产品测试需求。考虑高压309 V 进线端、低压14.2 V 出线端大电流特性，差模电感和共模电感
的选择受到限制，这里采用共模电容和差模电容进行滤波；考虑低压12 V 进线端工作电流较小，结合超标频段，这里采用共模电感和差模电容进行滤波。具体步骤如下：
（a）如图6（a）所示，在高压309 V 进线端和低压14.2 V 出线端进行滤波时，可选择1 µF X 电容（C 1）和4 700 pF C 2并联470 pF Y 电容 C 3；
（b）如图6（b）所示，在12 V 低压供电端时，可选择2 mH 的绕线共模电感（L 3与L 4）和0.01 µF 并联 2.2 µF 的差模电容（C 1）共同组成滤波电路 。
（c）控制器外壳就近通过编织网接地；高压屏蔽电缆与控制器接线端去除“猪尾巴”。
5 整改后的传导骚扰测试及分析
综上所述，针对传导骚扰的超标频段，选择以滤波为主，接地、屏蔽为辅的整改方案。整改后，在30~108 MHz 处噪声有明显下降，整体降低约30 dB，如图7所示，测试数据符合传导骚扰限值等级3[3]要求，但在低频段尖峰噪声抑制效果不明显，这跟差模电感、差模电容的值选择不合适有关。
由于仅在电路板外增加滤波器来对干扰传播路径
进行了截断，效果不是最佳。实际应用中应将滤波措施集成到电路板上，控制器的电磁兼容性会更好。
6 结语
本文针对DC-DC 传导骚扰超标问题，虽然整改后DC-DC 变换器的传导发射性能有了一定的改善，但实际中为了设备的集成和整体性，也为了考虑抗扰度的影响，不可能在器件外部电源线上单独接滤波器。作为高压器件，同时要考虑它对低压端口耦合的影响，后期应同时对高低压端口的传导发射进行测试图5 典型的EMI
滤波电路
图7 改进后传导骚扰测试结果
图6 RLC
滤波电路
（下转第73页）
认证与标志
形符合GB 17625.1-2012条款7.3的要求。
图4为≤25 W 照明产品的实测数据，只列出3次和5次谐波。用基波电流（最大值）乘86%得到3次谐波电流的限值，基波电流（最大值）乘61%得到5次谐波的限值。即使按照第3节有功输入功率＞25 W 的评定方法，可以看到该照明产品的实测数据第四列（98.776%、99.425%）没有超过100%，第六列（99.184%、99.425%）更在150%以下，3次和5次谐波的实测数据都符合GB 17625.1-2012要求。因此可以评定这个功率＜25 W 照明产品的谐波电流波形和数据合格。
5 结语
对于目前不断普及的LED 灯具，若功率＜25 W， 现行GB 17625.1-2012对谐波电流还是豁免的，但新版的EN 61000-3-2:2019则做了相应要求。现行的GB 17625.1-2012对照明设备（C 类设备）的限值表示方式不同于其它类别设备，结果评定方式也比较特别，对初期涉足该领域的技术人员来说，理解起来有一定难度。通过分析功率>25 W 的照明设备以及功率≤25 W 的放电灯的实测数据，详细说明了标准中限值的应用方法，尤其是测试结果的评定方法。期望本文能抛砖引玉，同时能帮助技术人员工作中更好的贯彻落实 GB 17625.1-2012。
参考文献
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林为. 谐波电流检测及实例结果分析[J]. 通信电源技术, 2020(2): 9-11.
编辑：刘新霞
图3 功率＜25 W
的照明产品的谐波测量数据图
图4 功率<25 W
的照明产品的谐波电流实测数据
（上接第45页）
和整改，使DC-DC 满足传导发射电压法的要求。后续可从以下两方面进一步研究和改进：
（1）产品设计初期，对电路图进行仿真分析，排查电路EMC 风险点，通过硬件设计和软件优化来降低EMC 骚扰；
（2）针对电路板上可能出现的骚扰源或骚扰传播路径，提前在靠近骚扰源和线路接口位置布置滤波器安装调试接口，便于后期EMC 测试和整改。
参考文献
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编辑：余琼 E-mail:***************
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