- 燃料電池車用大功率DC/DC變換器電磁兼容性研究
- 利用大功率DC/DC變換器主要電磁干擾源及抑制措施
- 對控制電路板的信號隔離
- 對軟件程序的抗干擾設(shè)計
引言
目前，燃料電池電動汽車(FCEV)成為我國汽車科技創(chuàng)新主攻方向。燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動機，DC/DC變換器，蓄電池，電機控制器(變頻器)及電機，整車控制器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及CAN總線組成，如圖1所示。其中DC/DC變換器可以對燃料電池的輸出進(jìn)行控制及能量的傳遞與轉(zhuǎn)換，成為燃料電池電動汽車關(guān)鍵零部件之一。在燃料電池電動汽車運行過程中，DC/DC變換器所處的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，各種形式的電磁干擾很多，嚴(yán)重影響了DC/DC變換器的正常運行。因此，研究FCEV用DC/DC變換器的電磁兼容性對DC/DC變換器乃至燃料電池電動汽車的可靠運行具有重要意義。
FCEV用DC/DC變換器是大功率變換裝置，其電磁兼容性在整個FCEV電磁環(huán)境中具有重要影響。FCEV用DC/DC變換器工作時對外界產(chǎn)生強大的電磁干擾，不僅對整個FCEV系統(tǒng)造成干擾，而且也會影響DC/DC變換器自身控制系統(tǒng)的正常工作。因此為了提高整個FCEV系統(tǒng)性能，必須對FCEV用DC/DC變換器的電磁兼容性進(jìn)行研究，對其產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)進(jìn)行有效的抑制。
大功率DC/DC變換器主要干擾源
FCEV用DC/DC變換器的功率一般比較大，通常選擇IGBT為功率開關(guān)管。功率開關(guān)管IGBT工作過程中產(chǎn)生高的du/dt和di/dt以及浪涌電流和尖峰電壓[1]，這是FCEV用大功率DC/DC變換器產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因。另外功率開關(guān)管開通和關(guān)斷瞬間，由于分布電感和分布電容的存在，電感電流容易發(fā)生高頻振蕩，這些因素都會產(chǎn)生強大的電磁干擾，這在FCEV用大功率DC/DC變換器中表現(xiàn)的尤為明顯。這種電磁干擾嚴(yán)重影響整車控制器與CAN通信，導(dǎo)致CAN通訊頻繁報錯，無法正常通訊。CAN通訊受干擾后的傳輸波形如圖2(a)所示。從圖中可以明顯看到，變換器開關(guān)噪音疊加在CAN通訊脈沖上，并且幅度很大。此外，嚴(yán)重的電磁干擾也會使大功率DC/DC變換器輸出紋波過大，紋波過大直接影響大功率DC/DC變換器的性能[2]。圖2(b)是用示波器采集到的變換器未經(jīng)濾波處理的輸出電壓波形，從圖中可以看到，輸出電壓上疊加了大量的開關(guān)噪音。
大功率DC/DC變換器電磁干擾的抑制措施
目前，抑制大功率DC/DC變換器電磁干擾的主要措施有減小干擾源的電磁干擾強度、切斷電磁干擾傳播途徑、敏感元器件合理布局以及屏蔽和信號接地設(shè)計等。
● 減小干擾源的電磁干擾強度
大功率DC/DC變換器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是電壓和電流的急劇變化，因而需要盡可能地降低電路中電壓和電流的變化率(du/dt和di/dt)。最常用的方法就是增加吸收電路[3]，吸收電路能夠抑制電磁干擾，其基本原理就是開關(guān)管關(guān)斷時為其提供旁路，吸收積蓄在寄生分布參數(shù)中的能量，從而抑制干擾的發(fā)生。軟開關(guān)柔性換流技術(shù)是近年來研究的熱點[4]，在FCEV用大功率DC/DC變換器中，采用無源諧振軟開關(guān)柔性換流技術(shù)，可以大大降低開關(guān)過程中的du/dt和di/dt，不僅減小了開關(guān)損耗，而且還大大降低了電磁干擾。另外通過優(yōu)化功率開關(guān)管IGBT驅(qū)動參數(shù)，合理選擇功率開關(guān)管IGBT的驅(qū)動電壓和柵極驅(qū)動電阻，也可以降低大功率DC/DC變換器電磁干擾。
● 切斷電磁干擾傳輸途徑
FCEV用大功率DC/DC變換器產(chǎn)生的電磁干擾以傳導(dǎo)干擾為主。目前最常用的方法就是在DC/DC變換器輸入和輸出端加裝濾波電容器。如圖3，為了減小FCEV用大功率DC/DC變換器對CAN通訊的干擾，在變換器輸入輸出端加適量的接地電容，CAN通訊波形得到有效改善。
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此外，在FCEV用大功率DC /DC變換器中開關(guān)管IGBT以十幾千赫的頻率開通和關(guān)斷,電路中可能產(chǎn)生高次諧波電流，影響燃料電池的輸出電壓。因此DC/DC變換器輸入和輸出端通常并聯(lián)電容(電解電容與無感電容并聯(lián))。無感電容可以濾除線路中由于諧振而產(chǎn)生的高頻輻射干擾，而電解電容用來穩(wěn)定燃料電池輸出電壓及降低輻射強度，同時減小DC/DC變換器輸出電壓紋波[5,6]。
● 敏感元器件合理布局
FCEV用大功率DC/DC變換器中包含很多敏感元器件(比如電流霍爾傳感器)，這些敏感元器件對電磁干擾非常敏感。在FCEV用大功率DC/DC變換器主電路實際布局中，通常將敏感元器件布局在離功率開關(guān)管IGBT、續(xù)流二極管和高頻變壓器盡量遠(yuǎn)的地方、同時將信號線絞合并縮短布線距離，這樣可以大大降低電流信號的噪音，提高系統(tǒng)的控制性能。同時，在FCEV用大功率DC/DC變換器布線方面，也要盡量將敏感信號線路遠(yuǎn)離功率開關(guān)管IGBT、續(xù)流二極管和高頻變壓器等強干擾源。同時，不能與高壓交流信號和高頻脈沖信號放置在一起，應(yīng)保證適當(dāng)?shù)木嚯x。
● 屏蔽和信號接地設(shè)計
在燃料電池電動汽車中，大功率DC /DC變換器和其他控制電路、電機控制器等設(shè)備安置在一起，相互之間要輻射電磁能量，通常采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結(jié)合的屏蔽方式來抑制輻射干擾[7]。此外，信號接地[8]也可以消除外界或其他設(shè)備對FCEV用大功率DC/DC變換器的干擾，其關(guān)鍵是選擇恰當(dāng)?shù)碾娐饭矃⒖键c以及接地線路的合理布局。
控制電路是大功率DC/DC變換器很重要的組成部分之一，良好的電路板設(shè)計可以大大提高電路板的抗干擾性。
大功率DC/DC變換器控制電路主要由電源模塊、采樣信號、通訊信號以及驅(qū)動模塊組成，為防止相互間信號干擾，在設(shè)計電路的時候?qū)⑵涓綦x，如圖5所示。
在FCEV用大功率DC/DC變換器控制電路中，電源模塊通常采用的是隔離型DC/DC模塊，實現(xiàn)了電源輸入端和輸出端的電氣隔離。采樣信號隔離包括電流采樣隔離和電壓采樣隔離。通訊信號隔離采用光電耦合器HCPL0600來實現(xiàn)了CAN總線輸入輸出信號的光電隔離。FCEV用DC/DC變換器輸出功率較大，所以選用IGBT為功率開關(guān)管，而IGBT不同規(guī)格對應(yīng)不同的驅(qū)動隔離方法。一般小功率IGBT采用TLP250驅(qū)動隔離，中等功率IGBT驅(qū)動多采用EXB841/840系列驅(qū)動隔離模塊，而大功率或超大功率IGBT可采用2SD315A模塊來實現(xiàn)驅(qū)動隔離。實踐證明，將各個功能模塊隔離，可以大大降低控制電路各個模塊之間的相互干擾，保證了信號傳遞的可靠性及信號處理的準(zhǔn)確性。
大功率DC/DC變換器軟件程序抗干擾設(shè)計
大功率DC/DC變換器通常采用DSP控制，軟件程序的抗干擾性設(shè)計同樣非常重要。大功率DC/DC變換器軟件抗干擾主要從兩個方面來考慮：DSP抗干擾技術(shù)和軟件濾波抗干擾技術(shù)，前者主要是抵御因干擾造成的程序“跑飛”，后者主要是消除信號中的干擾以提高系統(tǒng)精度。
DSP抗干擾技術(shù)
在FCEV用大功率DC/DC變換器的運行中，一旦控制系統(tǒng)的DSP受干擾，將會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，甚至使整個燃料電池電動汽車動力系統(tǒng)癱瘓，所以在設(shè)計實際系統(tǒng)時，均考慮萬一出現(xiàn)干擾時，DSP系統(tǒng)自身的抵御措施。
為了提高DSP的抗干擾性，在新型DSP控制器(如TMS320LF2407A)內(nèi)部集成了看門狗定時器模塊(WDT)[9]，用于程序運行監(jiān)視，是一種軟硬件結(jié)合的抗程序跑飛措施。WDT硬件主體是一個用于產(chǎn)生定時T的計數(shù)器或單穩(wěn)觸發(fā)器，該計數(shù)器或單穩(wěn)觸發(fā)器基本獨立運行，其定時輸出端接至DSP的復(fù)位線，而其定時清零則由DSP軟件控制。
在正常情況下，程序啟動WDT后，并在一定時時間T內(nèi)將其清零復(fù)位，這樣WDT的定時溢出就不會發(fā)生，如同睡眠一般不起任何作用。在受到干擾的異常情況下，CPU時序邏輯被破壞，程序執(zhí)行混亂，不可能周期性地將WDT清零，這樣當(dāng)WDT的定時溢出時，其輸出使DSP系統(tǒng)復(fù)位，CPU擺脫因一時干擾而陷入的癱瘓狀態(tài)。
軟件濾波技術(shù)
本文采用軟件濾波技術(shù)對FCEV用大功率DC/DC變換器的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。大功率DC/DC變換器將采集到的模擬量經(jīng)過濾波后送至DSP控制器的A/D轉(zhuǎn)換通道，通過軟件編程啟動A/D轉(zhuǎn)換，將取得的采樣值存入A/D內(nèi)置寄存器中。
DSP周圍的干擾信號多呈毛刺形狀，作用時間比較短。DSP對模擬量進(jìn)行采樣時，可對同一模擬量多次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將多次采樣值暫存在內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)中。當(dāng)多次采樣結(jié)束后，采用數(shù)據(jù)平滑濾波算法和多次采樣求均值的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣可以增強軟件程序抗干擾性，提高數(shù)據(jù)采樣的準(zhǔn)確度和精度。
結(jié)語
本文從大功率DC/DC變換器主要電磁干擾源及抑制措施、控制電路板的信號隔離以及軟件程序的抗干擾設(shè)計三個方面對FCEV用大功率DC/DC變換器的電磁兼容性進(jìn)行了研究，有效的解決了FCEV用大功率DC/DC變換器電磁干擾問題。采用上述電磁兼容設(shè)計的FCEV用大功率DC/DC變換器現(xiàn)已成功應(yīng)用在由清華大學(xué)研制的燃料電池城市客車上，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足整車使用要求，運行效果良好。
