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燃料電池車用大功率DC/DC變換器電磁兼容性研究

發(fā)布時間:2011-08-25

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

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行控制及能量的傳遞與轉換,成為燃料電池電動汽車關鍵零部件之一。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)境十分復雜,各種形式的電磁干擾很多,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變換器主要干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(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行研究,對其產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)進行有效的抑制。

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為功率開關管。功率開關管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。另外功率開關管開通和關斷瞬間,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。這種電磁干擾嚴重影響整車控制器與CAN通信,導致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,變換器開關噪音疊加在CAN通訊脈沖上,并且幅度很大。此外,嚴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噪音。
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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管關斷時為其提供旁路,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。軟開關柔性換流技術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干擾。另外通過優(yōu)化功率開關管IGBT驅動參數(shù),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。
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濾波器后,變換器輸出電壓波形平穩(wěn),開關噪音減小,濾波效果十分明顯。
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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(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管IGBT、續(xù)流二極管和高頻變壓器盡量遠的地方、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離功率開關管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,應保證適當?shù)木嚯x。

● 屏蔽和信號接地設計

在燃料電池電動汽車中,大功率DC /DC變換器和其他控制電路、電機控制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制輻射干擾[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變換器的干擾,其關鍵是選擇恰當?shù)碾娐饭矃⒖键c以及接地線路的合理布局。
大功率DC/DC變換器控制電路板抗干擾設計

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、通訊信號以及驅動模塊組成,為防止相互間信號干擾,在設計電路的時候將其隔離,如圖5所示。
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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為功率開關管,而IGBT不同規(guī)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系列驅動隔離模塊,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確性。

大功率DC/DC變換器軟件程序抗干擾設計

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抗干擾技術和軟件濾波抗干擾技術,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

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,將會導致非常嚴重的后果,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WDT的定時溢出時,其輸出使DSP系統(tǒng)復位,CPU擺脫因一時干擾而陷入的癱瘓狀態(tài)。

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(shù)據(jù)進行處理。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(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對模擬量進行采樣時,可對同一模擬量多次進行A/D轉換,并將多次采樣值暫存在內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)中。當多次采樣結束后,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)采樣的準確度和精度。

結語

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計三個方面對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變換器電磁干擾問題。采用上述電磁兼容設計的FCEV用大功率DC/DC變換器現(xiàn)已成功應用在由清華大學研制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?!?div>要采購開關么,點這里了解一下價格!

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