不同屏蔽措施对电磁干扰抑制的研究

张浩 陈良亮 齐连伟 王念春 陈中 黄学良

摘 要： 为了使纯电动汽车在制动过程中满足制动安全和充分回收制动能量的需求以及保持一定的制动舒适度，引入最优前端个体系数对NSGA?Ⅱ多目标遗传优化算法进行改进，并将解集筛选模块应用到制动控制器的设计中，随后嵌入到ADVISOR中进行仿真测试。实验结果表明，提出的控制策略可以有效保证足够的制动安全性，在能量回收效率和制动舒适性方面较标准的NSGA?Ⅱ算法优化的控制策略均有提高。

关键词： 纯电动汽车； 机电复合制动系统； NSGA?Ⅱ； 制动力分配； 控制策略； 制动安全

中图分类号： TN876?34； U469 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）07?0097?05

Research on modified NSGA?Ⅱ algorithm based electro?mechanical

hybrid braking control strategy of electric vehicle

PAN Shenghui1， XU Ping2， SONG Zhongda1， WU Tiantian1

（1. Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China； 2. Liuzhou No.1 Vocational and Technical School， Liuzhou 545007， China）

Abstract： In order to make that the electric vehicle can meet the requirements of braking safety and sufficient energy recovery in braking process， and maintain a certain braking comfort level， an optimal front?end individual coefficient is introduced to improve the multi?objective genetic algorithm based on non?dominated sorting genetic algorithm?Ⅱ （NSGA?Ⅱ）. The solution set screening module is applied to the design of braking controller， and embedded into ADVISOR for simulation test. The experimental results show that the control strategy can ensure the sufficient braking safety， and its energy recovery efficiency and braking comfort level are improved than those of control strategy based on standard NSGA?Ⅱ algorithm.

Keywords： electric vehicle； electro?mechanical hybrid braking system； NSGA?Ⅱ； braking force distribution； control strategy； braking safety

摘 要： 开关器件对地寄生电容是共模电流流通的主要路徑，产生的传导EMI会对设备形成不利影响。以充电机水冷散热器为例进行分析，利用金属静电屏蔽特性采取两种措施降低电磁干扰。一种是在开关器件与散热器之间的导热硅脂间插入一接直流0 V地的金属层；另一种是对水冷散热器结构进行改造，将金属水箱分为两部分，利用绝缘密封安装槽连接这两部分，其中一块金属水盖接到直流0 V地上，另一块水盖通过机壳接地。仿真结果表明采用所述方法均能有效地抑制传导共模电流，而后一种方法能达到更好的效果。

关键词： 水冷散热器； 导热硅脂； 对地寄生电容； 传导EMI； 静电屏蔽； 电磁干扰

中图分类号： TN99?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）07?0093?04

Research on EMI suppression with different shielding measures

ZHANG Hao1， 2， CHEN Liangliang1， 2， QI Lianwei3， WANG Nianchun3， CHEN Zhong3， HUANG Xueliang3

（1. NARI Group Corporation （State Grid Electric Power Research Institute）， Nanjing 211106， China；

2. NARI Technology Development Limited Company， Nanjing 211106， China； 3. School of Electrical Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract： The parasitic capacitance to ground of switching devices is considered as the main path for common?mode （CM） current flow， and the conducted EMI generated in it has poor effect on the device. The water cooling heatsink of the charger is taken as an example for analysis. According the metal electrostatic shielding properties， two EMI suppression measures are adopted to reduce EMI. For the first measures， a metal layer linking to DC 0 V ground is inserted into the thermal grease between switching device and heatsink. For the second measures， the structure of the water cooling heatsink is altered to divide the metal tank into two parts， and an insulating seal mounting groove is used to connect the two parts. One metal cover is connected to DC 0 V ground， and another cover is connected to ground by chassis. The simulation results show that both of the two measures can suppress the conducted CM current effectively， but the second measure can reach the suppression effect better.

Keywords： water cooling heatsink； thermal grease； parasitic capacitance to ground； conducted EMI； electrostatic shielding； electromagnetic interference

引 言

IGBT是变换器系统中常用的关键器件，在工作过程中热耗量很大，需要将其热量及时散发出去，与其他散热方式相比，水冷散热是现在常用的散热方法[1]。在散热器与开关器件之间会产生寄生电容，IGBT开关器件采用PWM控制，在工作过程中会产生很高的电流和电压变化率，对该寄生电容不断进行充放电，产生电磁干扰EMI[2]。传导EMI分为差模干扰和共模干扰。由于共模干扰造成的危害更大，因此对共模EMI的研究显得尤为重要。目前关于电磁兼容性研究方面有通过采取信号调制方式降低传导EMI[3]或设计EMI滤波器来抑制噪声干扰 [4?9] 。这些措施增加了研发成本，也给系统带来一定复杂性。

本文以电动汽车充电机三相不控整流电路为例，对传导EMI共模电流进行分析。利用金属静电屏蔽原理，采取两种不同措施，降低开关器件对地寄生电容，以此增大共模电流传播路径寄生阻抗，降低电磁干扰，相比现有技术，该方法原理简单，不需要额外的研发成本，而且能很好地达到降低传导EMI的目的。

1 寄生电容模型及求解

在水冷散热器与IGBT器件导热片之间填充一层导热硅脂，模型图如图1所示。散热器与开关器件导热片相当于平行板电容器的两个极板，导热硅脂相当于绝缘介质。开关器件导热片与散热器之间存在着寄生电容，在充电机工作时，该寄生电容是共模电流传播的主要途径[10]。开关器件对地寄生电容在变换器中的分布及共模电流主要流通路径如图2所示。共模电流通过开关管对地寄生电容到达参考地，通过测量传导EMI所用的LISN回到电网输入侧，然后再流到变流器整流侧。

共模电流等效电路图如图3所示。图中[CL，RL]是LISN等效电容和电阻，[Ceq]是开关器件对地等效电容，[LCM]是散热器与参考地连线等效寄生电感，[E]是共模干扰源。在变换器工作频带范围内，[Ceq]的阻抗值远大于其他元件的阻抗，其他元件的阻抗作用可忽略不计[10]。因此，开关器件对地寄生阻抗的大小对共模电流影响很重要。

在寄生电容计算过程中，由于实际的散热器尺寸要比开关器件大很多，不是理想的平行板电容器。考虑到电场的边缘效应对电容数值造成的影响，产生一定的误差，因此，开关器件与散热器之间的寄生电容不能采用静电场中的平行板电容公式进行计算。本文利用有限元分析软件Ansys Maxwell对IGBT于散热器之间的电容进行计算。

2 减小寄生耦合措施

由以上分析可知，开关器件对地寄生电容是影响共模传导电流的主要因素。寄生阻抗大小至关重要。本文采用屏蔽措施和对水冷散热器结构进行改造主要目的就是减小开关器件对地的耦合电容，增大回路阻抗，减小传导电流。

图4为模型原来结构，采取屏蔽措施后结构如图5所示。图5a）表示在导热硅中间插入一层金属屏蔽层，接到直流0 V地。图5b）表示将水冷散热器分为上盖和下盖两部分，这两部分通过密封圈和绝缘安装槽进行连接。冷却液一般采用去离子水，可以看作一种绝缘介质，保证了上盖和下盖之间相互绝缘。水冷散热器下盖通过机壳接地，上盖接直流0 V地。水冷散热器采用金属材料制成，因此上盖也起到静电屏蔽的作用。这些措施将大大减小电力电子器件与水冷散热器下盖之间的电场耦合，电力电子器件对地寄生电容大大减小。

3 電容计算及仿真结果分析

利用仿真软件Ansys Maxwell计算电容。在电容计算中，开关器件导热片面积为50 cm2；水冷散热器导热片面积为200 cm2；导热硅脂厚度为0.05 cm，两导热硅中间屏蔽层为0.01 cm，导热硅脂介电常数为5.7，水冷散热器上盖和下盖厚度均为0.1 cm。IGBT调制方式为双极性PWM调制，开关频率为100 kHz。计算出的结果如图6，图7所示。图7中结构1表示屏蔽措施1，结构2表示屏蔽措施2。

图6表示未采取屏蔽措施的开关器件对地寄生阻抗的频率特性。图7表示采用屏蔽措施后，开关器件对地寄生阻抗。从图7中可以看出，采用屏蔽措施2对增大开关器件对地寄生阻抗效果更好。这是因为在屏蔽措施2中起屏蔽作用的水冷散热器上盖面积大于开关器件的面积，能有效阻止开关器件与地之间边缘处的电场耦合。

在Simulink中搭建充电机回路仿真模型。分别将两种不同结构得到的寄生电容代入到仿真模型中，得到共模电流仿真结果如图8，图9所示，频谱分析如图10所示。图8表示未采取屏蔽措施的共模电流，图9表示采取屏蔽措施后的共模电流，图9中结构1表示屏蔽措施1，结构2表示屏蔽措施2。图10表示三种情况下的共模电流频谱比较。图10中频谱1表示未采取屏蔽措施共模电流的频谱，频谱2表示采取屏蔽措施1共模电流的频谱，频谱3表示采取屏蔽措施2共模电流的频谱。

从图8～图10结果可以看出采取相应措施后，共模电流及其频谱被明显减弱。从图6，图7中开关器件对地寄生阻抗频率特性可以看出，在导热硅脂中插入金属屏蔽层和对散热器结构进行改造后，开关器件对地寄生阻抗增大，使得共模电流传播路径的寄生阻抗增大，对共模噪声的抑制作用增强，从而降低了共模噪声。其中对散热器结构改造后，由于上盖面积大于开关器件的面积，能有效阻止开关器件与地之间边缘处的电场耦合，能达到更好地降低EMI的效果。

4 结 论

本文分析了充电机共模电流产生的机理及传播路径，采取在导热硅之间插入金属屏蔽层和对水冷散热器结构进行改造两种降低EMI的措施，计算了散热器与开关器件之间寄生阻抗的频率特性。采取这些措施有效地减弱了开关器件对地的耦合电容，增大了传导电流传播路径的阻抗，以此达到降低EMI干扰的目的。通过仿真分析证明该方法使共模电流及其频谱得到明显减弱，其中对散热器结构改造能达到更好地降低EMI的效果。

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