交流电机驱动控制器的电磁兼容设计

交流电机驱动控制器的电磁兼容设计摘要:交流电机驱动控制器的电磁兼容设计是保证其可靠应用的重要因素.该文介绍了电动汽车用交流电机驱动控制器的电磁兼容设计,分别从控制电路和信号电缆、功率电路和驱动电路等方面入手,概述了电磁干扰的产生机制及电磁兼容设计的要点.关键词:交流电机;驱动控制器;逆变器;电磁兼容;电动汽车0引言能源和环保问题促使永磁同步电机和交流感应电机在电动汽车领域应用越来越广泛,作为它们的动力驱动装置,为使其可靠工作,交流电机驱动控制器的电磁兼容性设计具有重要意义.电磁骚扰的耦合和传播机制[1]可以分为以下四种:(1)公共阻抗耦合:当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时出现公共阻抗耦合;(2)感应耦合:当导体之间的距离远小于电磁场的二分之一波长时,导体之间就存在近场耦合,可分为容性(电感应)耦合与感性(磁感应)耦合;(3)辐射耦合:当导体之间的距离远大于电磁场的二分之一波长时,导体之间的耦合;(4)传导耦合:骚扰电流沿导线传播造成了传导耦合,按其流动路径分为共模方式和差模方式.基于电磁骚扰耦合和传播的一般机制,下文具体介绍了电动汽车用交流电机驱动控制器的电磁兼容分析及设计,包括控制电路及信号电缆的电磁兼容措施和功率电路及驱动电路的电磁兼容设计.1控制电路及信号电缆的电磁兼容设计1.1控制电路的电磁兼容设计交流电机驱动控制一般由以DSP为核心的控制电路来实现.图1所示为一款通用交流电机控制电路板,该电路采用TI推出的32位150MHz数字信号处理芯片TMS320F2812为核心,配以CPLD芯片XC9536、高速大容量SRAM(IS61LV51216),以及模拟输入调理电路、PWM输出驱动电路、带隔离的RS232/485和CAN总线通讯接口电路等.该电路主要的电磁兼容措施有:(1)多层分区设计:控制电路板采用四层电路板,中间层用于电源和地,可有效地降低电源线和地线的阻抗及有效减少电路的环路面积.控制电路板分为三个区,用于模拟电路分区,数字电路分区以及隔离通讯电路分区.其中,在设计中模拟电路与数字电路各自分区与接地,然后再单点接地,该措施可有效避免模拟与数字电路之间的公共阻抗耦合,降低数字电路对模拟电路的影响.(2)隔离设计:RS232/485跟CAN总线通讯隔离电路与模拟及数字电路完全隔离.通讯信号的隔离设计采用ADI公司的双通道数字隔离器ADum1201来实现.该芯片[2]采用ADI获奖的iCoupler电磁隔离技术,与光电隔离器相比,除了速度更高,功耗更低,体积更小,价格更便宜和应用更灵活等优点外,其时序精度,瞬态共模抑制能力,通道间匹配程度都优于光电隔离器,这对通讯电路的电磁兼容性能非常有利.(3)施密特触发整形:用于测量电机位置和速度的光电码盘发出的脉冲信号受到干扰信号的影响时,一般须通过施密特触发电路滤除干扰毛刺.安森美半导体公司的NL37WZ17是一款带施密特触发功能的三通道高性能同相缓冲器[3],除具有体积小,工作电压范围宽,输出驱动电流大,支持输入输出过压操作等优点外,还可以通过器件内部达1V的滞环门限电路将慢变信号变成去抖的陡峭信号,从而使去噪性能良好,非常适合于ABI三通道码盘输出信号的整形.(4)滤波设计:滤波是用来切断干扰沿信号线和电源线传播的路径.芯片电源端就近配置解耦用高频电容,为芯片提供瞬态高能量;模拟输入采用抗混叠滤波电路,滤除高频干扰.(5)合理布局布线:本电路中时钟,并行总线及PWM电路等频率高,必须控制这些电路的回路面积及远离敏感电路[4].1.2信号电缆的电磁兼容设计由于电动汽车用驱动电机运行工况复杂,电磁环境恶劣,所以信号电缆的屏蔽措施是比较重要的[5].对内部控制信号扁平电缆,可采用抑制EMI的扁平电缆铁氧体,用于射频干扰的抑制.CAN总线信号电缆采用双绞线方式以减少回路面积,可有效地抑制磁场干扰;电机传感器信号电缆,将电机转子位置传感器信息和电机温度传感器信息传送到电机控制器,在设计中,一方面,电缆长度尽可能短,以减少寄生电容和寄生电感.另一方面,选用优质屏蔽电缆且屏蔽层双端接地,降低周围电磁环境对电缆信号线的容性和感性耦合.2功率电路及驱动电路的电磁兼容设计2.1功率电路的电磁兼容设计在逆变器功率回路中,功率母线浪涌电压[6]主要有IGBT的关断浪涌电压和续流二极管的恢复浪涌电压.浪涌电压产生原因在于逆变器功率回路中不可避免地存在寄生电感Lp,如直流母线的寄生电感,功率器件内部的寄生电感等,当功率器件在驱动电路作用下发生功率回路的换流时,流过寄生电感的电流i发生突变di/dt,寄生电感将产生阻止电流改变的电压:L.pdi/dt.该电压与直流母线电压迭加并以浪涌电压的形式加在功率器件的两端,产生严重的电磁干扰.因此,设计低寄生电感的功率母线并抑制浪涌电压是功率电路电磁兼容设计的重要内容.(1)低寄生电感的功率母线设计:对于大电流功率器件的应用场合,由于必须考虑逆变器的结构设计和功率器件的散热设计,所以一般采用通过导线连接的方法,使得功率电路的寄生电感较大,因此需要使用特殊的母线结构,一般使用迭层母线结构设计技术[6].对于实际设计,关键就是要降低直流母线的寄生电感.图2所示为某交流电机驱动控制器的直流母线结构设计截图,由正负导电铜板和中间的绝缘构成一个三明治结构,这种结构可以极大地降低直流母线的寄生电感.另外,为了最大限度地降低功率回路的寄生电感,选择寄生电感小的主电路滤波电容器,并将滤波电容器的正负极尽可能靠近功率器件的正负极,以减少连接上的寄生电感.(2)吸收电路抑制浪涌电压:对于IGBT功率回路上难以控制的寄生电感在直流母线上产生的IGBT关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压,需要通过吸收电路[6]来抑制直流母线电压尖峰.吸收电路类型参数的设计跟功率电路的寄生电感参数和直流母线上的电压尖峰大小等因素有关.对于小功率应用,可采用将吸收电容直接并接在直流母线上的电路形式,其中的吸收电容必须选择无感(或低感)类型,并且尽可能近地连接到IGBT模块上,吸收电容的大小可以根据功率器件应用手册的推荐值或计算公式来选择.2.2驱动电路的电磁兼容设计在图3所示的使用二合一的IGBT驱动电路中,当逆变器的三个下桥臂共用一个电源时,栅极驱动电路与主电流将共用地线回流路径,由于主电流回路存在寄生电感,在器件开关过渡过程中,主电流具有很高的di/dt,使得主电流回路上有较大的感应电压产生,这个电压可出现在器件的栅极上,使得本来应偏置截止的器件就有可能导通[6].为了避免公共阻抗的耦合,在设计中采用每个下桥臂器件栅极驱动用一路独立电源供电,如图4所示.另外,由于采用了独立的供电电源,所以驱动电路电源回路形成的面积得到了有效控制,驱动电源就近电容解耦也进一步消除了驱动电路的噪声问题.3结语交流电机驱动控制器作为电力电子设备,其电磁兼容设计对于保证系统的可靠工作意义重大.本文讨论了交流电机驱动控制器的电磁兼容设计,包括:控制电路及信号电缆的电磁兼容设计,功率电路和驱动电路的电磁兼容设计等.在系统初始设计时就考虑电磁兼容的问题,这样可以最有效地降低设计周期和成本,容易达到预期的正常运行要求.