1.介绍
过去的十年见证了全球电动汽车(EV)产业在技术上的飞跃和市场的扩张。随着特斯拉引领市场,紧随其后的是大众、PSA和丰田等传统汽车原始设备制造商,汽车行业的电气化一直在快速推进。
电动汽车的心脏是它的电力驱动单元(EDU),也被称为动力总成,它由电动机、电力电子模块和变速器组成。这通常被称为三合一单元。博世公司的三合一EDU如图所示图1[3].在这种情况下,变速器夹在电动机和电力电子模块之间。
原始设备制造商通常将车辆组件外包给一级供应商,使他们能够将资源集中在车辆系统集成和制造上。供应商在收到产品规格和要求后,为oem设计定制零件。对于关键的差异化组件,如EDU、电池组和软件集成,将设计保留在内部通常符合原始设备制造商的利益,这使他们比竞争对手更具优势。
对于汽车应用,所有组件的设计必须符合OEM的独特设计规范。这些规格包括功能、机械、环境、电气、电磁兼容、功能安全等。除了尺寸、成本和性能方面的挑战,汽车设计工程师现在还面临着不断挑战的散热和EMC要求。
本文重点讨论了EDU设计中遇到的EMC问题。这样一个复杂系统的EMC设计需要做出很多妥协。工程师都应该熟悉与优秀工程相关的妥协。妥协必须建立在谅解的基础上。为了建立一个共同的认识,本文从电机、电力电子和热设计的角度探讨了电磁EDU的电磁兼容设计。
背景
国际能源署(International Energy Agency) 2017年进行的一项调查得出的结论是,全球40%以上的电力生产是由电动机消耗的。由于电气化背后的规模经济,人们已经可以预见到这一比例的增长。
改进EDU的紧凑设计将实现更小的尺寸、更轻的重量和更好的热性能。该装置还必须符合EMC标准,这一设计过程通常(错误地)被设计师视为“黑魔法”。
为了揭开设计工程师所面临的电磁兼容问题的神秘面纱,本文重点介绍了电磁兼容的设计方面。最重要的经验之一是从一开始就考虑到EMC来设计系统。这种方法避免或减少了在测试阶段查找和修复EMC问题所花费的时间和资源。
验证EMC一致性的测试总是既昂贵又耗时。验证测试阶段所需的任何EMC故障排除将不可避免地对项目交付计划产生巨大影响。有时,未解决的EMC问题会导致产品发布失败,从而造成数百万美元的经济损失。
本文利用最先进的电机和电力系统设计方面的专业知识,结合EMC领域的经验,重点介绍了EDU的设计挑战,概述了关键的设计盲点,并解决了关键的EMC问题。要在一篇论文中涵盖EDU的EMC设计的全部内容是雄心勃勃的,但这篇论文应该让该领域的所有设计人员对良好的、具有成本效益的EMC设计以及如何避免可能危及项目交付计划的EMC问题有一个广泛的了解。
揭开电磁干扰的神秘面纱——电磁干扰的分解
图2演示了EDU的电气系统。所有的关键部件都有显示和标记。然后给出了EDU模块的详细细分。
3.1电动机
汽车edu中常用的电机拓扑如下:
- 永磁体无刷直流电动机,如日产Leaf所见,图3(一)
- 感应电机,就像早期特斯拉Model S车型上看到的那样,图3(b)
- 开关磁阻电机,就像李嘉图的原型一样,图3(c)
- 永久磁阻电机,如丹佛斯Visedo所见,图3(d)
- 轴向磁通电机,如在YASA电机中看到的,图3(e)
永磁电机具有高转矩密度和高效率,在电动汽车电机领域占据主导地位。稀土材料的价格虽然不便宜,但近年来一直保持在足够低的水平,这使得永磁电机处于领先地位。
在设计电动机时考虑电磁兼容性(EMC)还不是一种普遍做法。尺寸、重量、成本和热效率是主要关注点,而EMC甚至不是设计约束。但是,从整个EDU系统的角度来看,强烈建议电机设计工程师必须注意某些EMC方面,以尽量减少噪声干扰,达到更好的控制精度。电机设计的EMC方面列出如下:
3.1.1母线
母线设计取代了电缆设计,主要用于EDU设计,因为它具有坚固的机械结构,高电流密度容量,易于制造。从EMC的角度来看,母线设计也是首选,因为它有效地缩短了大功率开关和电机端子之间的电缆长度。母线的机械稳定性也消除了电力电缆随意排列引起的电磁兼容测试不一致。母线配置显示在图4,与TDK共模扼流圈组装。
但是,这并不是说线对线电容(C噢),或线路对机箱地电容(Clg)被消除或减少。事实上,在某些情况下,如果不考虑良好的EMC设计,寄生电容可能会增加。重要的是要认识到电容器根据定义是一种储存电场能量的导体几何形状。导体之间有介电材料(无论是空气、玻璃环氧树脂、保形涂层等)形成电容器[4]。平行板电容器的基本方程见方程1式中,A为导线面积,单位为平方米,h为导线间距,单位为米。e0和eR分别为真空介电常数和相对介电常数。
这个公式可以用来计算大多数商用电容器的电容。它也可用于确定母线之间的电容(C)噢)和母线与机箱之间的电容(Clg)。线对线电容与差分开关噪声有关,而线对机箱地电容则与共模噪声[5]有关。这应该是不足为奇的是,一个共同的母线往往设计与最小的环路面积,通过“交错”层压母线。因此,这种设计对寄生串联电感(以及寄生并联电容)的有益影响可以实现。
母线寄生电容的演示可在图5。
3.1.2端部绕组
电动机产生的电压和磁动势的幅值和波形形状都取决于绕组的排列方式。有许多不同类型的绕组配置,其中单齿绕组由于其简单易制造,在开关磁阻电机和永磁电机中越来越受欢迎。
这种类型的绕组也可以实现非常短的端绕组,这限制了从电机出来的漏磁通。因此,从EMC的角度来看,单齿绕组是首选。短端绕组意味着绕组和车辆底盘(“地面”)之间的寄生电容更少,因此更少的CM噪声产生。
电机运行时产生的磁通大部分包含在电机机架内,但不包含端部绕组的漏磁通。暴露在自由空间中,磁通量很容易辐射。
电机位置传感器通常位于靠近定子端绕组或转子端。传感器有两种类型,即光电型和霍尔效应型。光电位置传感器具有成本低、不受电磁干扰等优点。但它们非常容易受到灰尘/肮脏环境的影响,因此不是汽车应用的好选择。另一方面,霍尔效应类型的位置传感器不介意这样的环境,但它们容易受到杂散磁场的影响。因此,采用短绕组结构还可以降低漏磁的噪声耦合效应,有助于实现更好的位置传感器精度。
3.1.3 Turn to Turn
把绕组看作电感器是一种误解。虽然,这种表示通常足以用于电机和电力系统的性能分析。它无法解决与EMC相关的问题。定子中的每个绕组结构都有由匝间接近引起的寄生电容,称为互绕电容。这里再次强调寄生电容的概念。在电机运行阶段,绕组内电流有规律地快速增大和减小。结果是快速变化的磁通量产生快速变化的电压,这些波动的电压在绕组电容中产生寄生噪声电流。
3.1.4定子到转子
从前面的部分中得出的相同原理可以应用于定子到转子的寄生电容。
3.1.5轴承
轴承电流是电机轴承老化的原因之一,在极端情况下,已将轴承寿命缩短至预期寿命的10%。传统上,轴和绕组之间的寄生电容被用来模拟这种效应。在这篇文章中,一个新的模型背靠背齐纳二极管并联并联电容器(见图6)的建议。
轴承有一个移动的金属球或滚子和一个固定的金属外壳。润滑脂位于两部分之间,但它非常薄,因此具有高电容,可以承载高位移电流。因为它很薄,而且因为轴承不完美,所以偶尔会发生电气故障,甚至直接接触两个金属部件。因此,轴承电流部分是容性的,它在每次开关跃迁时产生电流脉冲,部分是随机的大电流尖峰。利用该模型可以对随机尖轴承电流进行模拟。
电机的寄生参数在图6。
3.2电力电子模块
3.2.1电力电子设备
新兴的宽带隙(WBG)材料功率半导体,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件是改变游戏规则的器件。它们可以超过硅(Si)的极限,并用于追求突破性的高频,高效率和更高功率密度的功率转换[6]。毫无疑问,在不久的将来,使用SiC或GaN的WGB器件将在EDU设计中取代Si器件,如igbt和mosfet。
由于降低了电力电子器件损耗(传导和开关损耗),WBG的更快开关特性允许提高系统效率。它也可以给电动机带来很大的好处。对于电流控制,随着高速开关器件的出现,低电感电机成为可能。低电感电机的绕组配置具有较少的匝数,因此更容易设计,并且在成本,重量和制造方便性方面也有好处。
与高开关频率WBG器件相关的问题主要是电磁兼容和热问题。由于宽带隙器件具有非常低的开关和传导损耗,因此电力电子工程师面临的最大设计障碍是EMC挑战。电力电子设备充当噪声源。
典型WBG器件的开关速度可以很容易地超过10V/ns[7]。等效串联电感(ESL)、等效串联电阻(ESR)和寄生电容可以根据器件[7]的封装来估算。走线、焊盘和PCB布局为EMC设计增加了另一层复杂性,因为它们被视为传输线。
从电路理论的角度来看,器件封装的寄生电感和电容,PCB布局和连接有助于在开关波形中观察到的噪声电压和电流尖峰(参见图7[7])。从传输线理论的角度来看,开关波形的振荡表明电磁能量只能以有限的速度传播,该速度小于光速(在玻璃环氧介电材料[4]中通常为光速的一半)。这意味着需要许多反向波反射和正向传输来传递电机所需的能量。
阶跃函数脉冲频谱的包络线如图所示图8。开关速度比开关频率更重要。构成这个方波的谐波(单频正弦波,使用傅里叶变换计算)的振幅与频率成比例下降,最高可达1/πt,其中t是上升时间或下降时间,取最小的。这是-20 dB/ 10的区域图7。在此频率之外,谐波幅值与频率[8]的平方成正比下降,在-40dB/ 10年区域图7。
通过减慢开关器件的上升/下降时间,可以降低谐波噪声的水平。但是这种方法可能会对WGB设备产生反作用,因为它可能无法充分利用它们的潜力。因此,选择低ESL封装,设计良好的PCB布局,成为控制电场和噪声发射的关键方法。
设计工程师的目标应该是布局PCB,使其走线和组件之间的寄生电容以及EDU的其余部分最小。共模电流取决于寄生电容C票面价值,电压开关速度,如图方程2,下面。
我在哪里厘米共模电流C票面价值为寄生电容,dV/dt为开关速度。
3.2.2 SiC二极管
SiC PN结二极管遭受反向恢复的方式与Si PN二极管相同。MOSFET具有一个内在PN体二极管,这是MOSFET结构中不可避免的一部分。SiC MOSFET体二极管在传导损耗和开关损耗方面通常不是很大。
肖特基二极管不像PN二极管那样使用少数载流子(空穴)传导,因此不存在反向恢复问题。因此,SiC肖特基二极管通常与SiC mosfet并联使用,以绕过其固有PN体二极管。
3.2.3去耦电容器
去耦电容被广泛用于滤波开关器件产生的开关噪声。在选择和放置去耦电容器时,遵循以下规则:
- 去耦电容器应在几何上靠近开关器件
- 建议使用小的电容器(无论是数值还是物理尺寸),一般来说,尺寸越小,电容器的ESL越低
- 应使用不同值的去耦电容,值之间的比值不大于3(例如100nf、330nf、1µF、3.3µF等)。最小值电容器应放置在离开关器件最近的地方
- 避免由于去耦电容的固有频率引起的振荡,有时这需要阻尼
- 安排电容器方向,以达到最大的去耦
3.2.4数据中心链路
直流链路电容器
DC链路(参见图2)设计包括直流母线设计和直流链路电容设计。对于直流母线,设计应遵循与3.1.1节设计相同的原则,以减小回路面积。
将储能电容器和去耦电容器分开对待是一种误解。从本质上讲,它们作为能源并表现出在线传输行为。在直流链路上使用低ESR和ESL薄膜型电容器对降低差分和共模噪声起着至关重要的作用。电容应几何上靠近噪声源,即高速开关器件,为噪声电流路径提供低阻抗回路。
这种安排的一个例子可以在图4其中爱普科斯薄膜电容器连接到英飞凌SiC功率开关模块。差分模(DM)噪声环路和共模(CM)噪声环路在图9。可以看出,直流链路电容的ESR和ESL值越大,共模噪声环(C环)的尺寸就越大,传导噪声也就越大。更大的环路也更容易辐射。
类Y-Capacitors
y类电容器通常用于过滤EDU前端的共模噪声(如图图2)。由于EV系统中允许存储在电容中的能量有限,y型电容器在EDU应用中的性能受到限制。出于高压安全考虑,电容器中存储的能量不能超过0.2 J[10]。电容器中储存的能量E可以用方程3。
在哪里C电容的单位是法拉和吗V是电压,单位是伏特。
由于工程趋势是提高工作电压,在不久的将来,市场上将有800 V或1200 V的系统。可以看出,当电压水平升高时,由于平方关系,所需要的电容值将显著减小。
3.3散热器与散热框
对于edu来说,热设计是至关重要的,因为电动机和电力电子模块都依赖于持续冷却来实现高效率和可靠性。传输的效率也与温度有关。
当涉及到EMC时,热设计的某些方面,如有效冷却面积、热膏的介电常数、冷却剂材料、粘合和连接都是相关的。一个好的散热器和外壳设计的细节可以在[11]中找到。
4.结论
本文介绍了电驱动装置的电磁兼容设计。EDU由直流链路、电动机、电力电子模块以及从它到电动机的传输线组成,所有这些都被封装在一个外壳中。
通过将EDU分解到子系统级别,工程师可以看到细节并形成对EMC设计的坚实理解。详细信息,如与电机和电子相关的寄生参数,提出给读者的干扰源和路径的赞赏。因此,对设计的建议是以结构的方式提出的。
正如开头所提到的,这篇简短的文章并不打算涵盖EMC设计的每个方面,因为这是不实际的。具体而言,如滤波、接地和屏蔽等内容不包括在内,但所有必要的设计细节都在参考书目中列出。
参考书目
[1] | 经济学家:“随着电动机的改进,越来越多的东西被电气化了。”《经济学人》不。2017年9月16日,有效日期:https://www.economist.com/science-and-technology/2017/09/16/as-electric-motors-improve-more-things-are-being-electrified。 |
[2] | p·c·乔·米勒,《大众首席执行官以超越特斯拉的雄心勃勃的计划挑战怀疑论者》,《金融时报》,2020年3月。(在线)。可用:https://www.ft.com/content/c90449ea-58eb-11ea-a528-dd0f971febbc。 |
[3] | 博世,“博世移动解决方案”,[在线]。可用:https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/products-and-services/passenger-cars-and-light-commercial-vehicles/powertrain-systems/electric-drive/eaxle/。 |
[4] | Tim Williams, Keith Armstrong, EMC的系统和安装,Newnes, 1996,可获得:https://www.emcstandards.co.uk/keithsbooks。 |
[5] | G. L. Skibinski, R. J. Kerkman和D. Schlegel,“现代PWM交流驱动器的电磁干扰发射”,IEEE工业应用杂志,第5卷,no。1999年11 - 12月,第47-80页。 |
[6] | 刘志强,李斌,李福昌,“基于wbg器件的车载充电器的高效高密度临界模式整流/逆变器,”IEEE工业电子学报,第64卷,没有。11, pp. 914 -9123, 2017。 |
[7] | AN2017-46,“CoolSiCTM 1200 V SiC MOSFET应用说明”,英飞凌白皮书,2018。 |
[8] | 李志强,数字电路板:Mach 1 GHz, 2012。 |
[9] | K. Armstrong,印刷电路板的电磁兼容:基本和高级设计与布局技术,Nutwood UK Ltd, 2011,可用:https://www.emcstandards.co.uk/keithsbooks。更新和改进的内容:https://www.emcstandards.co.uk/essential-pcb-designlayout-techniques-for-cost和https://www.emcstandards.co.uk/advanced-pcb-design-for-cost-effective-si-pi-an |
[10] | 《全球电动汽车安全技术法规》,联合国,2018年5月3日。 |
[11] | K. Armstrong,电子工程师EMC设计技术,Nutwood UK Ltd, 2010,https://www.emcstandards.co.uk/keithsbooks。更新和改进的内容可从https://www.emcstandards.co.uk/online-training。 |