燃料电池车用大功率DC/DC变换器电磁兼容性研究

admin

引言
　　目前，燃料电池电动汽车(FCEV)成为我国汽车科技创新主攻方向。燃料电池电动汽车动力系统主要由燃料电池发动机，DC/DC变换器，蓄电池，电机控制器(变频器)及电机，整车控制器，数据采集系统及CAN总线组成，如图1所示。其中DC/DC变换器可以对燃料电池的输出进行控制及能量的传递与转换，成为燃料电池电动汽车关键零部件之一。在燃料电池电动汽车运行过程中，DC/DC变换器所处的电磁环境十分复杂，各种形式的电磁干扰很多，严重影响了DC/DC变换器的正常运行。因此，研究FCEV用DC/DC变换器的电磁兼容性对DC/DC变换器乃至燃料电池电动汽车的可靠运行具有重要意义。

  
　　大功率DC/DC变换器主要干扰源及电磁兼容设计
　　FCEV用DC/DC变换器是大功率变换装置，其电磁兼容性在整个FCEV电磁环境中具有重要影响。FCEV用DC/DC变换器工作时对外界产生强大的电磁干扰，不仅对整个FCEV系统造成干扰，而且也会影响DC/DC变换器自身控制系统的正常工作。因此为了提高整个FCEV系统性能，必须对FCEV用DC/DC变换器的电磁兼容性进行研究，对其产生的电磁干扰(EMI)进行有效的抑制。
　　大功率DC/DC变换器主要干扰源
　　FCEV用DC/DC变换器的功率一般比较大，通常选择IGBT为功率开关管。功率开关管IGBT工作过程中产生高的du/dt和di/dt以及浪涌电流和尖峰电压[1]，这是FCEV用大功率DC/DC变换器产生电磁干扰最根本的原因。另外功率开关管开通和关断瞬间，由于分布电感和分布电容的存在，电感电流容易发生高频振荡，这些因素都会产生强大的电磁干扰，这在FCEV用大功率DC/DC变换器中表现的尤为明显。这种电磁干扰严重影响整车控制器与CAN通信，导致CAN通讯频繁报错，无法正常通讯。CAN通讯受干扰后的传输波形如图2(a)所示。从图中可以明显看到，变换器开关噪音叠加在CAN通讯脉冲上，并且幅度很大。此外，严重的电磁干扰也会使大功率DC/DC变换器输出纹波过大，纹波过大直接影响大功率DC/DC变换器的性能[2]。图2(b)是用示波器采集到的变换器未经滤波处理的输出电压波形，从图中可以看到，输出电压上叠加了大量的开关噪音。


       大功率DC/DC变换器电磁干扰的抑制措施
　　目前，抑制大功率DC/DC变换器电磁干扰的主要措施有减小干扰源的电磁干扰强度、切断电磁干扰传播途径、敏感元器件合理布局以及屏蔽和信号接地设计等。
　　● 减小干扰源的电磁干扰强度
　　大功率DC/DC变换器产生电磁干扰的主要原因是电压和电流的急剧变化，因而需要尽可能地降低电路中电压和电流的变化率(du/dt和di/dt)。最常用的方法就是增加吸收电路[3]，吸收电路能够抑制电磁干扰，其基本原理就是开关管关断时为其提供旁路，吸收积蓄在寄生分布参数中的能量，从而抑制干扰的发生。软开关柔性换流技术是近年来研究的热点[4]，在FCEV用大功率DC/DC变换器中，采用无源谐振软开关柔性换流技术，可以大大降低开关过程中的du/dt和di/dt，不仅减小了开关损耗，而且还大大降低了电磁干扰。另外通过优化功率开关管IGBT驱动参数，合理选择功率开关管IGBT的驱动电压和栅极驱动电阻，也可以降低大功率DC/DC变换器电磁干扰。
　　● 切断电磁干扰传输途径
　　FCEV用大功率DC/DC变换器产生的电磁干扰以传导干扰为主。目前最常用的方法就是在DC/DC变换器输入和输出端加装滤波电容器。如图3，为了减小FCEV用大功率DC/DC变换器对CAN通讯的干扰，在变换器输入输出端加适量的接地电容，CAN通讯波形得到有效改善。

  
　　在FCEV用大功率DC/DC变换器中，输出电压或电流纹波是电源的重要指标。图4在大功率DC/DC变换器的输出端连接CLC滤波器后，变换器输出电压波形平稳，开关噪音减小，滤波效果十分明显。
　　此外，在FCEV用大功率DC /DC变换器中开关管IGBT以十几千赫的频率开通和关断,电路中可能产生高次谐波电流，影响燃料电池的输出电压。因此DC/DC变换器输入和输出端通常并联电容(电解电容与无感电容并联)。无感电容可以滤除线路中由于谐振而产生的高频辐射干扰，而电解电容用来稳定燃料电池输出电压及降低辐射强度，同时减小DC/DC变换器输出电压纹波[5,6]。

      ● 敏感元器件合理布局
　　FCEV用大功率DC/DC变换器中包含很多敏感元器件(比如电流霍尔传感器)，这些敏感元器件对电磁干扰非常敏感。在FCEV用大功率DC/DC变换器主电路实际布局中，通常将敏感元器件布局在离功率开关管IGBT、续流二极管和高频变压器尽量远的地方、同时将信号线绞合并缩短布线距离，这样可以大大降低电流信号的噪音，提高系统的控制性能。同时，在FCEV用大功率DC/DC变换器布线方面，也要尽量将敏感信号线路远离功率开关管IGBT、续流二极管和高频变压器等强干扰源。同时，不能与高压交流信号和高频脉冲信号放置在一起，应保证适当的距离。
　　● 屏蔽和信号接地设计
　　在燃料电池电动汽车中，大功率DC /DC变换器和其他控制电路、电机控制器等设备安置在一起，相互之间要辐射电磁能量，通常采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的屏蔽方式来抑制辐射干扰[7]。此外，信号接地[8]也可以消除外界或其他设备对FCEV用大功率DC/DC变换器的干扰，其关键是选择恰当的电路公共参考点以及接地线路的合理布局。

  
　　大功率DC/DC变换器控制电路板抗干扰设计
　　控制电路是大功率DC/DC变换器很重要的组成部分之一，良好的电路板设计可以大大提高电路板的抗干扰性。
　　大功率DC/DC变换器控制电路主要由电源模块、采样信号、通讯信号以及驱动模块组成，为防止相互间信号干扰，在设计电路的时候将其隔离，如图5所示。

  
　　在FCEV用大功率DC/DC变换器控制电路中，电源模块通常采用的是隔离型DC/DC模块，实现了电源输入端和输出端的电气隔离。采样信号隔离包括电流采样隔离和电压采样隔离。通讯信号隔离采用光电耦合器HCPL0600来实现了CAN总线输入输出信号的光电隔离。FCEV用DC/DC变换器输出功率较大，所以选用IGBT为功率开关管，而IGBT不同规格对应不同的驱动隔离方法。一般小功率IGBT采用TLP250驱动隔离，中等功率IGBT驱动多采用EXB841/840系列驱动隔离模块，而大功率或超大功率IGBT可采用2SD315A模块来实现驱动隔离。实践证明，将各个功能模块隔离，可以大大降低控制电路各个模块之间的相互干扰，保证了信号传递的可靠性及信号处理的准确性。

      大功率DC/DC变换器软件程序抗干扰设计
　　大功率DC/DC变换器通常采用DSP控制，软件程序的抗干扰性设计同样非常重要。大功率DC/DC变换器软件抗干扰主要从两个方面来考虑：DSP抗干扰技术和软件滤波抗干扰技术，前者主要是抵御因干扰造成的程序“跑飞”，后者主要是消除信号中的干扰以提高系统精度。
　　DSP抗干扰技术
　　在FCEV用大功率DC/DC变换器的运行中，一旦控制系统的DSP受干扰，将会导致非常严重的后果，甚至使整个燃料电池电动汽车动力系统瘫痪，所以在设计实际系统时，均考虑万一出现干扰时，DSP系统自身的抵御措施。
　　为了提高DSP的抗干扰性，在新型DSP控制器(如TMS320LF2407A)内部集成了看门狗定时器模块(WDT)[9]，用于程序运行监视，是一种软硬件结合的抗程序跑飞措施。WDT硬件主体是一个用于产生定时T的计数器或单稳触发器，该计数器或单稳触发器基本独立运行，其定时输出端接至DSP的复位线，而其定时清零则由DSP软件控制。
　　在正常情况下，程序启动WDT后，并在一定时时间T内将其清零复位，这样WDT的定时溢出就不会发生，如同睡眠一般不起任何作用。在受到干扰的异常情况下，CPU时序逻辑被破坏，程序执行混乱，不可能周期性地将WDT清零，这样当WDT的定时溢出时，其输出使DSP系统复位，CPU摆脱因一时干扰而陷入的瘫痪状态。
　　软件滤波技术
　　本文采用软件滤波技术对FCEV用大功率DC/DC变换器的采样数据进行处理。大功率DC/DC变换器将采集到的模拟量经过滤波后送至DSP控制器的A/D转换通道，通过软件编程启动A/D转换，将取得的采样值存入A/D内置寄存器中。
　　DSP周围的干扰信号多呈毛刺形状，作用时间比较短。DSP对模拟量进行采样时，可对同一模拟量多次进行A/D转换，并将多次采样值暂存在内部数据区中。当多次采样结束后，采用数据平滑滤波算法和多次采样求均值的方法进行数据处理，这样可以增强软件程序抗干扰性，提高数据采样的准确度和精度。
　　结语
　　本文从大功率DC/DC变换器主要电磁干扰源及抑制措施、控制电路板的信号隔离以及软件程序的抗干扰设计三个方面对FCEV用大功率DC/DC变换器的电磁兼容性进行了研究，有效的解决了FCEV用大功率DC/DC变换器电磁干扰问题。采用上述电磁兼容设计的FCEV用大功率DC/DC变换器现已成功应用在由清华大学研制的燃料电池城市客车上，各项技术指标均满足整车使用要求，运行效果良好。