CN111884500A - 一种车载充电机共模传导干扰的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车载充电机共模传导干扰的抑制方法，车载充电机的共模干扰源来自功率开关器件，传播路径包括母排、直流线缆和直流供电电源，车载充电机共模传导干扰的抑制方法包括：获取功率开关器件产生的共模干扰噪声水平；获取功率开关器件的基板与散热器之间的寄生电容；分别获取母排对应的第一电感和直流线缆对应的第二电感；获取测量设备的阻容值；共模干扰源、寄生电容、第一电感、第二电感和测量设备的阻容串联；拉低第一电感和第二电感之间的电位。由此，分流了部分共模干扰电流，使得母线上的共模干扰电流减小，达到了抑制共模传导干扰的效果。

Description

一种车载充电机共模传导干扰的抑制方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种车载充电机共模传导干扰的抑制方法。

背景技术

车载充电机作为轨道车辆的重要组成部分，不仅负责为车载蓄电池进行充电，保证在紧急情况下，控制电路、应急照明等设备有不间断的能源供应，同时在轨道车辆的日常运行中，还需为整车的直流负载提供能源。车载充电机中的主功率开关器件在开关过程中会产生非常高的电流和电压变化率，使得所在系统的电压、电流中含有丰富的高次谐波，它们通过电路中寄生电感和寄生电容产生强烈的电磁干扰，导致车载充电机存在传导电磁干扰问题，传导电磁干扰容易引起设备故障及误动作，严重危害着安全稳定运行。图1是车载充电机的电路拓扑原理图。

传导电磁干扰分为差模干扰和共模干扰两种形式。由于共模干扰是噪声电流经由大地返回电源线的传导电磁干扰，这种传导电磁干扰经常会影响到周边其他电气设备的正常工作，因此是需要重点抑制的干扰形式。

目前，抑制车载充电机共模干扰的常用方法是安装磁环和安装滤波器。

磁环是由高磁导率的铁氧体材料制造而成。如图2A和2B所示，将整组电源线缠绕在磁环上，这样共模干扰电流产生的磁通在磁环中叠加，而两差模干扰电流产生的磁通在磁环中相减相互抵消，最终磁环为共模电流提供了一个阻抗，对于阻塞和消耗共模电流是有效的。但是随着干扰电流的增大，磁环的磁导率会减小，易产生饱和现象，导致磁环的阻抗特性变差。此外，为了增强磁环集中磁通的能力，电源线需要整组地紧密缠绕在磁环上，这对于一些较粗较硬的电源线来说，难以实现，也制约着磁环适用的场合。

滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，它基于电路的频率响应特性，可以对特定频段的干扰噪声进行有效滤除。为了达到抑制共模干扰效果，有时需要选择体积较大、重量较重、价格较贵的滤波器，而且需要将滤波器安装在如图3所示的电源线进出口位置，这些因素对充电机的结构设计和成本控制是不利的。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种车载充电机共模传导干扰的抑制方法，以解决现有技术中的通过磁环和滤波器抑制车载充电机共模干扰时所存在的问题。

为解决该问题，本发明提供了一种车载充电机共模传导干扰的抑制方法，所述车载充电机的共模干扰源来自功率开关器件，传播路径包括母排、直流线缆和直流供电电源，所述车载充电机共模传导干扰的抑制方法包括：

获取功率开关器件产生的共模干扰噪声水平；

获取功率开关器件的基板与散热器之间的寄生电容；

分别获取母排对应的第一电感和直流线缆对应的第二电感；

获取测量设备的阻容值；所述共模干扰源、所述寄生电容、所述第一电感、所述第二电感和所述测量设备的阻容串联；

拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位。

在一种可能的实现方式中，所述拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位具体包括：

在所述车载充电机的负母线和所述车载充电机的箱体之间添加Y电容，以拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

计算所述Y电容的值。

在一种可能的实现方式中，所述方法之后还包括：

获取负母线和参考地在未拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位之前的第一电压值；

获取负母线和参考地在拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位之前的第二电压值。

在一种可能的实现方式中，所述计算所述Y电容的值具体包括：

根据所述共模干扰噪声水平的值、所述寄生电容的值、所述第一电感的值、所述第二电感的值、所述测量设备的阻容的值、所述第一电压值和所述第二电压值，计算所述Y电容的值。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述共模干扰噪声水平的值、所述寄生电容的值、所述第一电感的值、所述第二电感的值和所述测量设备的阻容的值，计算所述Y电容的值具体包括：

其中，IL为插入损耗，U_AO为第一电压值，U’_AO为第二电压值；

R₃、C₅是测量设备的电阻和电容；

f是需要抑制的超标频段；所述超标频段为所述第一电压值与标准限值做对比，第一电压值超出标准限值的频率段；L₂是第二电感，根据公式

进行计算，l是线缆长度，r是线缆半径，μ₀是真空磁导率；

L1是第一电感，通过ANSYS Q3D仿真软件进行提取；

C₀是寄生电容，根据公式

进行计算，S为功率开关器件基板的面积，d为导热硅胶的绝缘垫片的厚度，ε₀是真空介电常数，ε_r是导热硅胶的相对介电常数。

由此，通过应用本发明实施例提供的车载充电机共模传导干扰的抑制方法，通过在输入侧负母线与充电机箱体之间添加Y电容，分流了部分共模干扰电流，使得母线上的共模干扰电流减小，达到了抑制共模传导干扰的效果。Y电容相比于磁环、滤波器等抑制元件，其自身重量轻，安装拆卸方便，占用空间体积小，有利于产品的结构设计和成本控制。本申请不仅可应用于车载充电机的共模传导干扰抑制整改，还可应用于其他车载变流设备的电磁兼容抑制整改，具有普适性。

附图说明

图1为现有技术中的车载充电机电路拓扑原理图；

图2A为现有技术中的磁环在车载充电机上的应用示意图；

图2B为现有技术中的电源线缠绕磁环的示意图；

图3为现有技术中的滤波器在车载充电机上的应用示意图；

图4为本发明实施例提供的共模干扰回路示意图；

图5为本发明实施例提供的车载充电机共模传导干扰的抑制方法流程示意图；

图6为本发明实施例提供的负母线与车载充电机箱体之间添加Y电容示意图；

图7为本发明实施例提供的添加Y电容后的共模干扰回路示意图；

图8为本发明实施例提供的添加Y电容之前和添加Y电容之后的共模干扰抑制效果图；

图9为本发明实施例提供的Y电容的现场安装图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

在对本申请进行说明之前，先对车载充电机共模传导产生的原因进行分析。

图4中，FC1为充电机输入端的支撑电容，其作用是为整机提供一定的电压支撑能力，尤其是在网压波动时，尽可能减小电压波动对系统带来的影响；IGBT 1-IGBT 4为系统的主要功率开关器件，是开关变换器重要组成部分，通过高频率的开通和关断，实现电能传输；C1/C2为系统的超前臂IGBT的并联电容，主要作用为在超前臂IGBT关断时，尽可能使其Vce电压上升缓慢，近似实现零电压关断特性；Cr为系统中的隔直电容，主要作用是隔直流通交流，防止直流电流分量传递至变压器TR1侧，使变压器饱和；TR1为高频隔离变压器，主要作用是将IGBT桥臂中点的交流方波电压，通过升压/降压匝数比，变换成所需电压等级的交流方波电压，同时由于原副边处于隔离状态，也起到了一定的隔离保护作用；D1-D8为车载充电机的整流二极管，主要作用是将变压器副边的交流方波电压整流成含有一定高频谐波的直流电压，供后级使用；R1/C3和R2/C4为RC缓冲电路，主要是为了吸收整流二极管上的关断电压尖峰；FC2为充电机的输出端支撑电容，其作用是为输出端提供一定的电压支撑能力，尤其是在负载突变时，尽可能减小输出电压的暂升或暂降，保证输出电压精度，同时该电容也起到了一定的输出滤波作用。

由于IGBT 1-IGBT 4这些功率开关器件的内部存在着寄生电感，所以在高速的开通关断过程中，会产生很高的电压尖峰，这些电压尖峰构成了共模干扰源，记作V_S，共模干扰即共模干扰源，可以通过测量共模干扰源的噪声水平，判断是否要对共模传导干扰进行抑制，当共模干扰源的噪声水平大于预设的阈值时，需要对共模传导干扰进行抑制。IGBT1-IGBT 4在工作时温度不断上升，需要在IGBT的基板底部安装散热器进行散热冷却，为了有效地传递热量，通常还需要在IGBT基板与散热器之间涂以导热硅胶，绝缘的导热硅胶使得IGBT基板和散热器之间存在一定的间隙，这就构成了寄生电容，记作C₀；母排是联接器件，相当于导线，常用于IGBT功率模块单元与其他线缆、其他模块单元之间的物理联接，图4中变压器TR1左侧的电路中的联接导线均是母排的一部分，共模干扰不可避免地要流经母排，母排自身具有电感特性，记作L₁；直流供电电源通过线缆连接到车载充电机的每个IGBT功率单元，这段直流线缆本身也具有电感特性，共模干扰同样不可避免地也要流经直流线缆，直流线缆的电感值记作L₂；测量设备自身的电阻和电容，记作R₃和C₅。正是因为存在着这些寄生电容和电感，为干扰信号提供了一个闭合路径，从而造成了共模干扰。

图5为本发明实施例提供的车载充电机共模传导干扰的抑制方法流程示意图，如图5所示，该车载充电机共模传导干扰的抑制方法包括以下步骤：

步骤510，获取功率开关器件产生的共模干扰噪声水平；

其中，当共模干扰源的噪声水平超过设定值时，即需要对共模传导干扰进行抑制。

步骤520，获取功率开关器件的基板与散热器之间的寄生电容；

具体的，寄生电容参见C₀。

步骤530，分别获取母排对应的第一电感和直流线缆对应的第二电感；

具体的，第一电感参见L₁，第二电感参见L₂。

步骤540，获取测量设备的阻容值；共模干扰源、寄生电容、第一电感、第二电感和测量设备的阻容串联；

具体的，记R3和C5为测试设备的电阻和电容。测试设备是指电压探头和线路阻抗稳定网络(Line Impedance Stabilization Network，LISN)，它们的电阻值和电容值可以通过查阅技术手册获得。

步骤550，拉低第一电感和第二电感之间的电位。

具体的，参见图6，可以通过在车载充电机的负母线和车载充电机的箱体之间添加Y电容，以拉低第一电感和第二电感之间的电位。

下面，参见图7，对共模传导干扰抑制效果的考核指标进行量化，量化指标称为插入损耗IL，其物理意义是添加Y电容后，使得图6中A点和O点之间的电压U_AO的变化，是预期需要改善的传导干扰水平，可以通过LISN或用标准测试电压探头测试得到，一般用dBuV表示。令添加Y电容前后A点和O点之间的电压分别为U_AO和U’_AO，也可以通过同样的测试方法得到，那么插入损耗IL可表示为：

未添加Y电容，U_AO可表示为：

添加Y电容，U’AO可表示为：

将公式(2)、(3)相除，得到插入损耗IL：

其中，R₃、C₅是测量设备的阻容，通过查阅电压探头和线路阻抗稳定网络(LineImpedance Stabilization Network，LISN)的技术手册，可以得到R₃、C₅的值；

f是需要抑制的超标频段，超标频段为第一电压值与标准限值做对比，第一电压值超出标准限值的频率段，可以根据预期需要改善的效果，确定衰减的频率段f；

L₂是供电电源到功率单元之间的线缆电感，可以根据公式

进行估算，l是线缆长度，r是线缆半径，μ₀是真空磁导率为已知量；

L₁是母排电感，可以通过电磁仿真软件ANSYS Q3D进行提取，为已知量；

C₀为IGBT1-IGBT4中任意一个与散热器之间的寄生电容，可以根据公式

进行估算，其中，S为IGBT基板的面积，d为导热硅胶绝缘垫片的厚度，ε₀是真空介电常数，ε_r是硅胶的相对介电常数，为已知量。其中，IGBT1-IGBT4规格相同，计算出任意一个与散热器之间的寄生电容即可。

由此，公式(4)中仅仅有Y是未知量，其余的均可视为已知量，因此通过方程求解，即可选择合适的Y电容。

图8为本发明实施例提供的添加Y电容之前和添加Y电容之后的共模干扰抑制效果图，在添加3.9uF的Y电容后，输入侧端口的共模传导干扰在1kHz～300kHz的频段内明显降低，共模传导干扰得到了有效抑制。由此，从图8可以看出，通过添加Y电容，大大抑制了共模干扰。

图9为本发明实施例提供的Y电容的现场安装图。从图9可以看出，Y电容相比于磁环、滤波器等抑制元件，其自身重量轻，安装拆卸方便，占用空间体积小，有利于产品的结构设计和成本控制。

由此，通过应用本发明实施例提供的车载充电机共模传导干扰的抑制方法，通过在输入侧负母线与充电机箱体之间添加Y电容，分流了部分共模干扰电流，使得母线上的共模干扰电流减小，达到了抑制共模传导干扰的效果。Y电容相比于磁环、滤波器等抑制元件，其自身重量轻，安装拆卸方便，占用空间体积小，有利于产品的结构设计和成本控制。本申请不仅可应用于车载充电机的共模传导干扰抑制整改，还可应用于其他车载变流设备的电磁兼容抑制整改，具有普适性。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种车载充电机共模传导干扰的抑制方法，其特征在于，所述车载充电机的共模干扰源来自功率开关器件，传播路径包括母排、直流线缆和直流供电电源，所述车载充电机共模传导干扰的抑制方法包括：

获取功率开关器件产生的共模干扰噪声水平；

获取功率开关器件的基板与散热器之间的寄生电容；

分别获取母排对应的第一电感和直流线缆对应的第二电感；

获取测量设备的阻容值；所述共模干扰对应的共模干扰源、所述寄生电容、所述第一电感、所述第二电感和所述测量设备的阻容串联；

拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位具体包括：

在所述车载充电机的负母线和所述车载充电机的箱体之间添加Y电容，以拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算所述Y电容的值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法之后还包括：

获取负母线和参考地在未拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位之前的第一电压值；

获取负母线和参考地在拉低所述第一电感和所述第二电感之间的电位之前的第二电压值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算所述Y电容的值具体包括：

根据所述共模干扰噪声水平的值、所述寄生电容的值、所述第一电感的值、所述第二电感的值、所述测量设备的阻容的值、所述第一电压值和所述第二电压值，计算所述Y电容的值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述共模干扰噪声水平的值、所述寄生电容的值、所述第一电感的值、所述第二电感的值、所述测量设备的阻容的值、所述第一电压值和所述第二电压值，计算所述Y电容的值具体包括：

其中，IL为插入损耗，U_AO为第一电压值，U’_AO为第二电压值；

R₃、C₅是测量设备的电阻和电容；

f是需要抑制的超标频段；所述超标频段为所述第一电压值与标准限值做对比，第一电压值超出标准限值的频率段；

L₂是第二电感，根据公式

)进行计算，l是线缆长度，r是线缆半径，μ₀是真空磁导率；

L1是第一电感，通过ANSYS Q3D仿真软件进行提取；

C₀是寄生电容，根据公式

进行计算，S为功率开关器件基板的面积，d为导热硅胶的绝缘垫片的厚度，ε₀是真空介电常数，ε_r是导热硅胶的相对介电常数。

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