引言

大功率DC-DC變換器是新能源汽車動力系統的重要組成部分，由主電路、控制電路兩部分組成。主電路具有高功率密度、高電壓、高電流變化率的特點，工作時電磁騷擾強度大。

某電動車型的開發性試驗（電磁騷擾測試）中，車輛的電磁騷擾測試結果嚴重超標，排查定位的主要騷擾源為大功率DC-DC 變換器。測試發現，變換器工作時產生嚴重的電磁騷擾，影響了整車電磁環境，導致敏感車載電器非正常工作。

1 電磁騷擾測試

1.1電動汽車未達標情況統計

匯總100 輛電動汽車的實驗室測試數據，分析150 kHz~1 GHz 車輛各頻段的未通過情況，圖1 是新能源汽車樣品未達標情況分布統計，發現30 MHz~1GHz 頻段未通過車輛較多，30% 的車輛超標。

電動車輛電磁場的測量目前執行GB 14023-2011《車輛、船和內燃機 無線電騷擾特性 用于保護車外接收機的限值和測量方法》、GB/T 18387-2017《電動車輛的電磁場發射強度的限值和測量方法》；零部件高壓器件，一般采用GB/T 18655-2018《車輛、船和內燃機 無線電騷擾特性用于保護車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》（國際上采用CISPR 25-2016《車輛、船舶和內燃機 無線電干擾特性 船載接收機保護用測量的限值和方法》）測量電磁騷擾特性。

1.2 DC-DC 變換器電磁騷擾特性測試

按GB/T 18655-2018 高壓器件測試要求， 將接電動汽車DC-DC 變換器電磁騷擾的抑制收機、高低壓LISN（Line-impedance stabilizationnetwork）、以及蓄電池等放在實驗桌上搭建測試平臺。如圖2，采用320 V 高壓輸入，經DC-DC 變換器輸出14.2 V 電壓為蓄電池充電，同時在蓄電池后面接模擬負載，盡量模擬電動汽車實際工作狀態。分別進行傳導騷擾和輻射騷擾測試。測試曲線如圖3、圖4 所示。

測量DC-DC 變換器電源端口傳導騷擾時，采用高壓LISN 隔離電網干擾，高壓LISN 一端接測試線纜，另一端接50 Ω 阻抗。圖3 的測試曲線表明：500 kHz~2 MHz 具有規律明顯的100 kHz 開關頻率信號，其來源主要是功率開關管，同時30~60 MHz 干擾比較明顯；圖4 的輻射發射測量曲線中，78.3 MHz、88.55 MHz、142.4~200 MHz 干擾較強。測試數據表明，該DC-DC變換器在零部件測試中不滿足標準限值要求。

2 電磁騷擾機理分析

2.1 DC-DC 變換器的工作原理

電動車DC-DC 變換器的作用主要是將車內的高電壓轉換為低電壓，并為車載蓄電池充電、或為低壓零部件供電。本電動車DC-DC 采用全橋Buck 變換電路，將高壓動力電池320 V 電壓降為14.2 V，為車載蓄電池以及其他12 V 用電器提供穩定的電壓。其電路拓撲圖如圖5，DC-DC 變換器選用Q1~Q4 四個橋臂組成的全橋電路，免除了瀉流干擾及波形變壞。

（1）DC-DC 功率器件阻抗特性

DC-DC 變換器涉及到高電壓、大電流，一般由電容、電感、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等大功率器件組成。功率器件規格、參數、工作狀態不同，產生的干擾信號頻率不同，同時也會產生一些差（共）模干擾信號，從而影響車內其他零部件的工作特性。分析實際應用中電容的高頻特性時，需要考慮其寄生電感LS、分布電阻RS、諧振頻率fR、等效阻抗Z 等因素，電容C 的諧振頻率和等效阻抗分別按式（1）、式（2）計算:

設計初期選擇功率器件時就要計算其諧振頻率、電路阻抗等參數，以此來選擇電容、電阻、電感等，避免功率器件的諧振頻率落入工作頻帶內帶來干擾信號。

（2）IGBT 開關管的工作特性

Buck 電路通過控制開關管的通斷實現降壓。如圖6，實際電路搭建測試發現：開關管通斷兩側的電壓波形會出現凸起和跌落，開通、關斷瞬間開關管伴隨有較大的電壓變化（dv/dt），波形失真、出現振蕩波，產生較強烈的電磁干擾。

2.2 電磁騷擾耦合方式

產生電磁騷擾必須具備發射器（干擾源）、傳播途徑、接收器（干擾對象）三個條件，圖7 為電磁騷擾耦合方式示意。電動車輛的高壓動力系統中，傳導騷擾與輻射發射是比較常見的兩種干擾方式。

DC-DC 變換器功率開關IGBT 管的通斷導致電路滋生較快的電壓變化，形成尖峰電壓，產生電磁騷擾，通過電路電源線輸出干擾，影響車載用電器。變換器的設計初期，電路輸入端選擇的電容值較小，高頻特性較差，電容自身的高頻阻抗會導致高頻電流傳到交流電源中，形成傳導型電磁干擾]。

變換器主要由磁性元件（電感或變壓器）、功率開關器件（IGBT）等構成。高頻變壓器的初級線圈、功率開關器件和濾波電容構成的高頻開關電流環路會產生較大的空間輻射，形成輻射干擾。

實際電路中，常常同時存在傳導和輻射兩類干擾方式，并且因傳輸線路節點處阻抗的不匹配，兩種干擾傳輸中還會相互轉化。

3 電磁騷擾抑制的分析與建議

3.1 軟開關應用

傳統電路設計中采用硬開關，開關過程中存在電壓和電流均不為零的重疊交越區域，這個交越區域造成的開關損耗稱為開關管的切換損耗，同時這期間電流、電壓變化很快，波形有明顯過沖，導致開關噪聲。在電路設計中引入軟開關技術，可實現零電壓與零電流開關運行，大大減小功率器件（IGBT）、變壓器中電壓和電流的變化速度（dv/dt，di/dt），即功率管能在零電壓下導通和零電流下關斷，大幅減弱DC-DC 轉換器的電磁騷擾，如圖8 所示。

DC-DC 功率變換器后期改進時，應用移相全橋零電壓開關PWM 控制方式實現零電壓開關，為每個開關管增加緩沖電路，電路中同時增加諧振電感Lr，使四個開關均為零電壓開通，避免開關管開斷時引入電路突變雜波信號。拓撲結構如圖9。

利用Multisim 仿真分析，其每個開關管導通時間略小于1/2 周期，關斷時間略大于1/2 周期，其中Q1、Q2 比Q3、Q4 超前約1/2周期，即Q1、Q2 為超前橋臂，Q3、Q4 為滯后橋臂。在Q1、Q4 閉合，Q2、Q3 斷開時，變壓器原邊開始向正半周VDQ1 輸出。當Q1 斷開時，通過VDQ2 續流，此時Q2 實現零電壓開通；當Q4 關斷時，VDQ3 續流，實現Q3 零電壓開通。同理，實現Q1 和Q4 零電壓開通。諧振電感Lr 與回路開關管間的電容組成諧振回路，每個橋臂的兩個開關管成180 互補導通，兩個橋臂觸發角的相位差，即移相角，通過調節移相角可以調節輸出電壓。

3.2 電路寄生參數分析

實際電路中，共模（差模）干擾信號經常影響功能器件的正常工作。因此，電路設計階段的回路阻抗分析以及濾波器件參數選擇很重要。理論上，部分高頻干擾電流通過對地寄生電容流向地，形成共模干擾；另一部分會在功率器件（IGBT、變壓器等）之間形成電流環路，產生差模干擾。

DC-DC 變換電路的共模寄生電容存在于開關管之間，開關器件的開通或關斷電壓是主要干擾源。經理論計算和仿真分析，開關器件電磁兼容性能超標的源頭為開關器件之間的阻抗匹配情況，以下重點分析共模寄生參數分布。如圖10 所示，將四個開關管（Q1~Q4）和硅堆（D1、D2）的對地共模寄生電容（C1~C4、C6）作為共模路徑的寄生阻抗，功率器件漏極與散熱器之間的電壓差值為系統的共模干擾電壓源（Vcm）。

經查閱資料可知，變換器共模回路的歐姆關系為：

式中Vcm 是共模干擾電壓源，Zline 是共模回路中連接線的寄生阻抗，變壓器可看作連接線阻抗的一部分，但其值遠小于回路寄生阻抗，可以省略不計，由此得到回路中共模寄生參數引起的阻抗為：

式（5）中，d 表示導熱硅脂的涂膜厚度，ε 為導熱硅脂的介電常數，S 表示功率器件的導熱面積。因此，理論上可通過改變這三個因素（d、ε、S）調節回路阻抗特性，減小甚至杜絕回路中的共模干擾。

3.3 屏蔽措施

（1）線束屏蔽

整車線束的設計、零部件之間連接線束的屏蔽性能也影響整車的電磁兼容性能。選用線束時需采用雙絞線、分層式排列等，要考慮線束電壓降、接地電阻等理論參數。

采用網絡分析儀與阻抗測試設備，測試整車與DC-DC 變換器連接線束的輸入阻抗，測量諧振頻率、動態電抗、動態電容、動態電感等特性值，生成轉移阻抗特性圖。在100 kHz~40 MHz 頻段內，進行幾組線束測試，選用一組阻抗（屏蔽）特性、轉移阻抗相對較好的線束與DC-DC 變換器連接進行零部件電磁騷擾特性測試驗證，發現干擾降低2~3 dB。

因此，做好線束屏蔽，可以改善整車電磁環境。線束轉移阻抗曲線如圖11。

（2）其他屏蔽措施

途徑，實際上很多產品都是在成型之后、PCB 板設計已定型時出問題，此時，采用以下方式進行性能提升：

（a）改良電子設備中的電路設計，采用濾波器件、不同特性元器件分開布局，合理的使用X 與Y 電容，降低電路中共模與差模信號的干擾；

（b）外殼輻射電磁波較強的電子設備，可在其輻射功率較大的電路和器件周圍，添加電磁波屏蔽罩、粘貼金屬箔、噴涂導電涂料、鍍導電金屬層或加裝吸波材料 ；

（c）實際測試分析過程中，如設備某頻段的傳導騷擾電平超標，可查閱圖12 找出占主導地位的傳導騷擾信號類型，為EMI 濾波器網絡結構及參數的調整提供指導。

4 DC-DC 變換器EMI 性能優化

結合理論分析，DC-DC 變換器電路中開關器件的通斷設計成軟開關方式，降低開關管的雜波信號；應用濾波電容和電感，改變電路阻抗特性，降低共模信號干擾，從源頭上解決了DC-DC 變換器EMI 超標的問題；反復整改后，100 kHz 開關頻率干擾明顯下降，30~60 MHz 干擾下降顯著，如圖13、圖14。連接DC-DC變換器的整車線束也進行了屏蔽處理，采用轉移阻抗為6.2 mΩ 的屏蔽線束進行連接，最終產品DC-DC變換器達到了指標要求，整車測試也滿足國家標準GB 14023-2011、GB/T 18387-2017 要求。

5 結語

電動汽車DC-DC 變換器的大功率器件易產生傳導和輻射干擾，影響電動汽車的電磁兼容性。電路前期設計過程中，應重視DC-DC 工作原理及功率器件理論特性的分析，為電路的后續完善奠定基礎。整改時采用濾波器、移相全橋零電壓開關PWM 控制電路都可以降低開關頻率的干擾，對與電路中的寄生參數相關的物理量進行優化設計，在常規屏蔽措施的基礎上，采用屏蔽性能良好的線纜，可進一步改善整車電磁兼容性。