中心議題：

• 燃料電池車用大功率DC/DC變換器電磁兼容性研究

解決方案：

• 利用大功率DC/DC變換器主要電磁幹擾源及抑製措施
• 對控製電路板的信號隔離
• 對軟件程序的抗幹擾設計

引言

目前，燃料電池電動汽車(FCEV)成為我國汽車科技創新主攻方向。燃料電池電動汽車動力係統主要由燃料電池發動機，DC/DC變換器，蓄電池，電機控製器(變頻器)及電機，整車控製器
，數據采集係統及CAN總線組成，如圖1所示。其中DC/DC變bian換huan器qi可ke以yi對dui燃ran料liao電dian池chi的de輸shu出chu進jin行xing控kong製zhi及ji能neng量liang的de傳chuan遞di與yu轉zhuan換huan
，成cheng為wei燃ran料liao電dian池chi電dian動dong汽qi車che關guan鍵jian零ling部bu件jian之zhi一yi。在zai燃ran料liao電dian池chi電dian動dong汽qi車che運yun行xing過guo程cheng中zhong，DC/DC變換器所處的電磁環境十分複雜，各種形式的電磁幹擾很多，嚴重影響了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。 大功率DC/DC變換器主要幹擾源及電磁兼容設計

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電磁環境中具有重要影響。FCEV用DC/DC變換器工作時對外界產生強大的電磁幹擾，不僅對整個FCEV係統造成幹擾，而且也會影響DC/DC變換器自身控製係統的正常工作。因此為了提高整個FCEV係統性能，必須對FCEV用DC/DC變換器的電磁兼容性進行研究
，對其產生的電磁幹擾(EMI)進行有效的抑製。

大功率DC/DC變換器主要幹擾源

FCEV用DC/DC變換器的功率一般比較大，通常選擇IGBT為功率開關管。功率開關管IGBT工作過程中產生高的du/dt和di/dt以及浪湧電流和尖峰電壓[1]，這是FCEV用大功率DC/DC變(bian)換(huan)器(qi)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)最(zui)根(gen)本(ben)的(de)原(yuan)因(yin)。另(ling)外(wai)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)管(guan)開(kai)通(tong)和(he)關(guan)斷(duan)瞬(shun)間(jian)
，由(you)於(yu)分(fen)布(bu)電(dian)感(gan)和(he)分(fen)布(bu)電(dian)容(rong)的(de)存(cun)在(zai)，電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)容(rong)易(yi)發(fa)生(sheng)高(gao)頻(pin)振(zhen)蕩(dang)
，這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)強(qiang)大(da)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)
，這(zhe)在(zai)FCEV用大功率DC/DC變換器中表現的尤為明顯。這種電磁幹擾嚴重影響整車控製器與CAN通信，導致CAN通訊頻繁報錯，無法正常通訊。CAN通訊受幹擾後的傳輸波形如圖2(a)所示。從圖中可以明顯看到，變換器開關噪音疊加在CAN通訊脈衝上，並且幅度很大。此外
，嚴重的電磁幹擾也會使大功率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噪音。
[page]
大功率DC/DC變換器電磁幹擾的抑製措施

目前，抑製大功率DC/DC變換器電磁幹擾的主要措施有減小幹擾源的電磁幹擾強度、切斷電磁幹擾傳播途徑
、敏感元器件合理布局以及屏蔽和信號接地設計等。

● 減小幹擾源的電磁幹擾強度

大功率DC/DC變換器產生電磁幹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xi收shou電dian路lu能neng夠gou抑yi製zhi電dian磁ci幹gan擾rao，其qi基ji本ben原yuan理li就jiu是shi開kai關guan管guan關guan斷duan時shi為wei其qi提ti供gong旁pang路lu
，吸xi收shou積ji蓄xu在zai寄ji生sheng分fen布bu參can數shu中zhong的de能neng量liang
，從cong而er抑yi製zhi幹gan擾rao的de發fa生sheng。軟ruan開kai關guan柔rou性xing換huan流liu技ji術shu是shi近jin年nian來lai研yan究jiu的de熱re點dian[4]，在FCEV用大功率DC/DC變換器中，采用無源諧振軟開關柔性換流技術，可以大大降低開關過程中的du/dt和di/dt，不僅減小了開關損耗，而且還大大降低了電磁幹擾。另外通過優化功率開關管IGBT驅動參數，合理選擇功率開關管IGBT的驅動電壓和柵極驅動電阻，也可以降低大功率DC/DC變換器電磁幹擾。

● 切斷電磁幹擾傳輸途徑

FCEV用大功率DC/DC變換器產生的電磁幹擾以傳導幹擾為主。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通訊的幹擾，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。 在FCEV用大功率DC/DC變換器中，輸出電壓或電流紋波是電源的重要指標。圖4在大功率DC/DC變換器的輸出端連接CLC濾波器後，變換器輸出電壓波形平穩，開關噪音減小，濾波效果十分明顯。
[page]
此外，在FCEV用大功率DC /DC變換器中開關管IGBT以十幾千赫的頻率開通和關斷,電路中可能產生高次諧波電流
，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並聯電容(電解電容與無感電容並聯)。無感電容可以濾除線路中由於諧振而產生的高頻輻射幹擾，而電解電容用來穩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幹擾非常敏感。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管IGBT、續流二極管和高頻變壓器盡量遠的地方、同時將信號線絞合並縮短布線距離
，這樣可以大大降低電流信號的噪音
，提高係統的控製性能。同時，在FCEV用大功率DC/DC變換器布線方麵，也要盡量將敏感信號線路遠離功率開關管IGBT、續流二極管和高頻變壓器等強幹擾源。同時，不能與高壓交流信號和高頻脈衝信號放置在一起

，應保證適當的距離。

● 屏蔽和信號接地設計

在燃料電池電動汽車中，大功率DC /DC變換器和其他控製電路
、電機控製器等設備安置在一起，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合的屏蔽方式來抑製輻射幹擾[7]。此外，信號接地[8]也可以消除外界或其他設備對FCEV用大功率DC/DC變換器的幹擾
，其關鍵是選擇恰當的電路公共參考點以及接地線路的合理布局。 大功率DC/DC變換器控製電路板抗幹擾設計

控製電路是大功率DC/DC變換器很重要的組成部分之一，良好的電路板設計可以大大提高電路板的抗幹擾性。

大功率DC/DC變換器控製電路主要由電源模塊、采樣信號、通訊信號以及驅動模塊組成，為防止相互間信號幹擾，在設計電路的時候將其隔離，如圖5所示。 [page]
在FCEV用大功率DC/DC變換器控製電路中
，電源模塊通常采用的是隔離型DC/DC模塊，實現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為功率開關管，而IGBT不同規格對應不同的驅動隔離方法。一般小功率IGBT采用TLP250驅動隔離，中等功率IGBT驅動多采用EXB841/840係列驅動隔離模塊，而大功率或超大功率IGBT可采用2SD315A模(mo)塊(kuai)來(lai)實(shi)現(xian)驅(qu)動(dong)隔(ge)離(li)。實(shi)踐(jian)證(zheng)明(ming)，將(jiang)各(ge)個(ge)功(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)隔(ge)離(li)，可(ke)以(yi)大(da)大(da)降(jiang)低(di)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)各(ge)個(ge)模(mo)塊(kuai)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)互(hu)幹(gan)擾(rao)


，保(bao)證(zheng)了(le)信(xin)號(hao)傳(chuan)遞(di)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)及(ji)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)。

大功率DC/DC變換器軟件程序抗幹擾設計

大功率DC/DC變換器通常采用DSP控製，軟件程序的抗幹擾性設計同樣非常重要。大功率DC/DC變換器軟件抗幹擾主要從兩個方麵來考慮：DSP抗幹擾技術和軟件濾波抗幹擾技術
，前者主要是抵禦因幹擾造成的程序“跑飛”，後者主要是消除信號中的幹擾以提高係統精度。

DSP抗幹擾技術

在FCEV用大功率DC/DC變換器的運行中
，一旦控製係統的DSP受幹擾
，將會導致非常嚴重的後果，甚至使整個燃料電池電動汽車動力係統癱瘓，所以在設計實際係統時
，均考慮萬一出現幹擾時，DSP係統自身的抵禦措施。

為了提高DSP的抗幹擾性，在新型DSP控製器(如TMS320LF2407A)內部集成了看門狗定時器模塊(WDT)[9]，用於程序運行監視
，是一種軟硬件結合的抗程序跑飛措施。WDT硬件主體是一個用於產生定時T的計數器或單穩觸發器
，該計數器或單穩觸發器基本獨立運行，其定時輸出端接至DSP的複位線，而其定時清零則由DSP軟件控製。

在正常情況下，程序啟動WDT後，並在一定時時間T內將其清零複位，這樣WDT的定時溢出就不會發生，如同睡眠一般不起任何作用。在受到幹擾的異常情況下
，CPU時序邏輯被破壞
，程序執行混亂
，不可能周期性地將WDT清零，這樣當WDT的定時溢出時
，其輸出使DSP係統複位
，CPU擺脫因一時幹擾而陷入的癱瘓狀態。

軟件濾波技術

本文采用軟件濾波技術對FCEV用大功率DC/DC變換器的采樣數據進行處理。大功率DC/DC變換器將采集到的模擬量經過濾波後送至DSP控製器的A/D轉換通道，通過軟件編程啟動A/D轉換，將取得的采樣值存入A/D內置寄存器中。

DSP周圍的幹擾信號多呈毛刺形狀，作用時間比較短。DSP對模擬量進行采樣時，可對同一模擬量多次進行A/D轉zhuan換huan，並bing將jiang多duo次ci采cai樣yang值zhi暫zan存cun在zai內nei部bu數shu據ju區qu中zhong。當dang多duo次ci采cai樣yang結jie束shu後hou
，采cai用yong數shu據ju平ping滑hua濾lv波bo算suan法fa和he多duo次ci采cai樣yang求qiu均jun值zhi的de方fang法fa進jin行xing數shu據ju處chu理li
，這zhe樣yang可ke以yi增zeng強qiang軟ruan件jian程cheng序xu抗kang幹gan擾rao性xing，提ti高gao數shu據ju采cai樣yang的de準zhun確que度du和he精jing度du。

結語

本文從大功率DC/DC變換器主要電磁幹擾源及抑製措施、控製電路板的信號隔離以及軟件程序的抗幹擾設計三個方麵對FCEV用大功率DC/DC變換器的電磁兼容性進行了研究，有效的解決了FCEV用大功率DC/DC變換器電磁幹擾問題。采用上述電磁兼容設計的FCEV用大功率DC/DC變換器現已成功應用在由清華大學研製的燃料電池城市客車上

，各項技術指標均滿足整車使用要求
，運行效果良好。