（河北省计量监督检测研究院 石家庄市 050000）
摘要：电力电子设备工作时产生的电磁干扰（ElectromagneticInterference，EMI）严重时不仅影响自身工作性能，而且还会对与之相连的设备产生影响，很多国家都对这类设备的电磁兼容性（ElectromagneticCompatibility，EMC）有着严格的标准限制。因此，对这类问题的解决不容忽视。基于此，本文主要对电动汽车开关电源电磁兼容优化设计方法进出分析探讨。
关键词：电动汽车；开关电源；电磁兼容；优化设计方法
1、前言
针对电力电子设备严重的电磁兼容问题，分析得出功率器件对地的寄生电容是影响共模干扰传播的主要因素，采用有限元法和静电场原理建立了寄生参数的计算模型，并推导出了计算方法，通过基于控制寄生参数大小的方法提出了变换器系统电磁干扰的优化设计方法。实验结果表明，通过增大功率器件导热片与散热器之间导热硅脂的厚度，能够增大开关器件对地的寄生阻抗，使得传播到变换器电源线上的电磁干扰降低，从而提高变换器系统的电磁兼容性。
2、寄生参数分析及计算
2.1寄生参数对干扰的影响
共模干扰通常指信号在系统与地构成的回路中传播，一个典型的变换器共模寄生参数分布如图1所示。在一个工作周期内无论四个开关器件处于何种工作状态，他们的导热片始终与D极相连通，且D极电位的绝对值都相等，即MOSFET导热片与散热器之间的电位差相等。因此将四个MOSFET和二极管硅堆的对地寄生电容并联作为共模路径的阻抗，在某一时刻开关器件电压跳变时，四个器件D极的电位也跟着跳变，该电位对散热器的电压差就是系统的共模干扰电压源，如图1中VCM所示。
通过上述分析得出寄生参数的阻抗对干扰回路阻抗影响较大，如果增大寄生参数的阻抗值，则回路阻抗也将增大。在干扰源一定的情况下，回路中的共模电流将减小，在一定程度上能够减小EMI的传播。
2.2寄生参数计算模型
变换器的功率器件通常用导热硅脂等物质与散热器粘贴，功率器件的金属散热片和散热器之间存在寄生电容，在高频下工作时，该寄生电容是共模电流传播的主要路径。寄生电容分布对干扰信号传播路径有很大的影响，由于散热器直接连接到公共地上，因此干扰还可能传播到其他系统中。
将开关器件导热片、导热硅脂、绝缘衬垫和散热器四者构成的系统视为平板电容器模型。导热片和散热器分别为电容器模型的上下两个极板，导热硅脂和绝缘衬垫视为电容器介质，分别用ε1和ε2表示。
2.3寄生参数计算模型
电容器模型的求解采用静电场分析原理和有限元相结合的方法，
因为导热硅脂和绝缘衬垫分别为两种电介质，且由于金属导热片和散热器的尺寸远远大于导热硅脂和绝缘衬垫的厚度，假设介电常数ε1和ε2区域内中的电位分别为ψ1和ψ2，两极板的电位差为△U，此时求解区域内的电位仅仅是x坐标的函数，且分别满足拉普拉斯方程。
多导体系统中由于任意两个导体上的电荷一般不是等值异号，电容的概念不能直接引用。因此，为了计算出多个开关器件对地的寄生电容，必须引入部分电容的概念来研究类似的系统。本文研究的系统就是由5个导体和大地一起构成6个导体的系统，如图1所示。其中5个导体分别代表5个功率器件的导热片，大地代表散热器，取大地为参考电位。设导体上的电荷分别为Q1,Q2,…,Q5，根据导体电位与各导体电荷的线性关系，可得出各导体的电荷与电位的矩阵表达式。
3、EMI优化设计
3.1优化原理
通过上述方法就能把一个静电场的问题转变为一个与电容有关的电路问题。如前面分析，一部分高频干扰电流会通过对地寄生电容流向地，形成共模干扰，因此功率器件导热片与散热器之间的寄生电容阻抗大小会影响系统的共模干扰大小。而寄生电容的阻抗大小由导热硅脂的介电常数和涂抹厚度，以及功率器件导热片的几何形状这三种参数决定。
因此，理论上通过改变上述三种参数的大小能够达到改变干扰回路阻抗的大小，从而实现减小系统产生的干扰电流。但是功率器件的导热片由生产商决定，实验中无法通过改变其面积来验证对干扰信号的抑制效果。此外，如果实验中采用较小介电常数的导热硅脂，可能会对D极和散热器之间造成绝缘隐患。因此，本文仅从改变导热硅脂涂抹层厚度来分析其对干扰大小的影响。
3.2仿真分析
已知导热硅脂介电常数ε=8，绝缘衬垫介电常数约为3；MOSFET导热片面积为233.65mm2，二极管硅堆导热片面积为758.4mm2；当导热硅脂厚度在0.5～1.5mm之间变化时，取6个典型值：d=0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm、1.5mm，计算出不同导热硅脂厚度下的共模寄生电容。当热胶硅脂厚度不同时，系统共模回路的阻抗特性仿真结果如图6所示。仿真结果仅仅说明导热硅脂厚度不同对共模回路阻抗大小的影响程度。
在低频范围内（小于10MHz），随着导热硅脂厚度的增大，寄生电容减小，系统共模干扰回路的阻抗逐渐增大，当导热硅脂的涂抹厚度不同时，对共模干扰信号的改变情况也会比较明显。在高频范围内（大于10MHz），由于寄生参数的容性效应，系统共模阻抗幅值都大幅降低，这为共模干扰信号的传播提供了主要的通路。因此，在理论上改变导热硅脂的涂抹厚度能够在低频范围内改善系统电磁干扰问题，但是在高频范围内效果不明显。
系统共模干扰电流的计算模型参照图2，通过电路仿真计算出不同厚度的导热硅脂对系统共模电流大小的影响情况，仿真结果中Icm1和Icm6分别代表d=0.5mm和d=1.5mm时的共模时域电流波形。通过比较两组时域电流波形可以直观的看出，随着导热硅脂厚度的增大，干扰电流的幅值明显减小。此外，在传导干扰频率范围内，随着导热硅脂厚度的增大，干扰电流对应的频谱幅值也相应减小。
3.3实验验证
以一款电动汽车电源变换系统为实验对象，验证当导热硅脂厚度不同时，DC-DC变换器输入电源线上传导共模干扰电流的变化情况。选择介电常数为8，厚度为0.1mm和2.0mm的导热硅脂，分别填充在功率器件MOSFET和二极管硅堆的导热片和变换器散热器之间，并且不改变其他参数。搭建变换器的EMI测量系统，对输入电源线的共模电流进行测量，共模电流频谱的测量采用电流探头、同轴电缆和频谱分析仪，时域测量采用电流钳和示波器。导热硅脂厚度不同时电源线上共模电流的测量结果如图3所示。
图3a中，上下两幅图分别代表导热硅脂厚度为0.1mm和2.0mm时，共模电流的时域波形，测量时间扫描大小为10μs/格，幅度扫描大小为500mA/格，可以很明确的看出干扰电流信号峰峰值的大小存在明显差异。这一特性也可以通过电源线上的频域干扰电流信号大小看出，如图3b。在低频范围内（小于10MHz），导热硅脂厚度较大时，电源变换系统电源线上的共模干扰电流频谱幅值较小。在高频范围内（大于10MHz），导热硅脂厚度不同对共模干扰信号的抑制效果不明显，这些实验结论都符合理论分析。所以，在实际工程中通过适当增加功率器件散热片与散热器之间填充导热硅脂的厚度，能够达到减小系统低频电磁干扰的目的，但是对高频干扰的抑制效果不明显。
4、结论
通过理论分析与实验验证得出，增大功率器件导热片与散热器之间填充的导热硅脂的厚度，能够有效降低变换器系统电源线上的低频传导电磁干扰，该方法几乎不增加额外设计和材料成本，减小了变换器的重量和体积，节约了额外滤波器成本，值得大力推广使用。
参考文献：
[1]李旭，肖利华，王丽芳，何举刚，汪泉弟．电动汽车电池管理系统抗电磁干扰技术研究[J]．汽车工程学报，2012，2(6)：417-423
[2]陈立文，电动汽车锂离子电池管理系统研究与设计[D]．成都：电子科技大学电子与通信工程，2013
论文作者:王平
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/26
标签：干扰论文; 变换器论文; 厚度论文; 电流论文; 阻抗论文; 散热器论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第29期论文;