汽车直流散热风扇电磁干扰测试分析与优化

安素芹，贾 晋，吴小珊，龙 云，赵鹤鸣

（1.重庆理工大学 车辆工程学院，重庆 400054；2.重庆清研理工电子技术有限公司，重庆 401329）

随着汽车电子技术的发展，越来越多的电气电子产品应用在汽车上，使得汽车电磁环境变得更加复杂。汽车发动机或动力电机的散热风扇作为车内重要的电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）源，采用的有刷直流电机在工作过程中产生强度较高且频带很宽的电磁干扰，干扰信号通过线缆耦合的传导发射与辐射发射通常处于较高水平，对其他电子设备的正常运行造成显著影响［1－2］，是导致零部件或整车无法通过相关电磁兼容（electromagnetic compatibility，EMC）法规的重要原因。国内外众多学者对车载电机的电磁干扰进行研究，发现X、Y电容分别对共模干扰、差模干扰产生抑制作用［3－4］，接地对于改善传导干扰和辐射干扰效果较好［5］，滤波器是抑制传导干扰的主要手段之一［6－7］。对于造价较低的车载小型直流电机不仅要根据干扰源特点不同采取不同的抑制方式，同时要平衡抑制措施的成本，因此对电磁干扰进行预评估十分重要。

首先分析了一款汽车散热风扇的电磁干扰机理。电机的供电直流电流可分为差模电流分量与共模电流分量［8］，研究的有刷直流电机的共模电流分量是传导与辐射发射的主要原因，并在测试中得到验证。为抑制这些共模电流分量，根据不同共模电容的阻抗特性设计了一种低成本的共模滤波电路，选择合适的滤波阻抗是设计滤波电路的关键。最后按照相关标准［9－10］进行测试，比较了滤波前后散热风扇的传导与辐射发射水平。结果表明：设计的共模电容滤波电路能有效抑制该散热风扇电磁干扰集中频段的传导与辐射发射。提出的电磁干扰分析与优化过程对车载直流有刷电机的电磁兼容研究具有参考意义，并具有一定的工程价值。

1 电磁干扰测试分析

1.1 基本机理分析

有刷直流电机主要由磁极、电流换向器、转子线圈和直流供电电源构成，如图1所示。供电电源发出的直流电流能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。这种电磁驱动结构中存在的电流换向器与电刷使得汽车散热风扇产生显著的电磁干扰［11］。本文研究的汽车散热风扇总成如图2所示。

图1 有刷直流电机结构

图2 散热风扇总成

1.2 预评估测试分析

由于标准的电磁干扰传导与辐射发射测试对电磁测量环境要求严格，其昂贵的测试成本往往是零部件厂商主要考虑的因素，因此低成本的电磁干扰预评估显得尤其重要［12］。为了全面地分析与调查待测电机的电磁干扰特性，测量与分析了电机输出端口的共模电流频域信号，LISN负极端的电压频域信号，以及LISN正极端的电压和电流时域信号。测试布置如图3所示。值得注意的是，该测试的被测量主要是电压和电流信号，只需在一般的测试场地即可，不需要昂贵的半波暗室或者屏蔽室。

图3 预评估测试布置图

在该测试中，一般认为共模电流在线束上幅值相同，方向相同，并且以参考导电桌面为电流回路。尽管该电流的幅值较小，但往往是电磁干扰的主要原因。差模电流在线束上幅值相同，方向相反，因此可将一条导线看作另外一条导线的差模电流回路。由于相互抵消作用，差模电流导致的辐射发射通常可以忽略不计。值得注意的是，上图布置中测量的正负极电压、电流信号是共模与差模信号的叠加信号。

图4所示为LISN负极端的电压与电机端口的共模电流频谱。从图中可以看出：两者具有很强的相关性（相差20～30 dB），有一致的包络线，说明LISN上形成的传导干扰主要由共模电流产生。且两频谱图的峰值频点都在28 MHz左右，主要的干扰频段都在100 MHz以下。

图4 LISN负极电压与电机端口共模电流—频域

图5所示为LISN正极端电压的时域信号，从图中可以明显地看到周期为2 ms的纹波，该纹波由电流的换向过程形成；而尖脉冲为典型的电弧放电波形，该放电波形由电刷放电形成。两者都是散热风扇中有刷直流电机电磁发射的干扰源，这验证了上文的基本机理分析。图6为LISN正极端电流（差模电流）的时域信号，与正极电压信号相同，正极电流信号的换向周期也是2 ms，但尖脉冲没有特定的周期。这种差模电流也是形成传导干扰的原因。

图5 LISN正极电压—时域

图6 LISN正极电流—时域

如图7所示为电机输出端口共模电流的时域信号。该信号也不具有特定的周期，并且其峰－峰值高达10 A，其脉冲上升沿大致为1 ns。这种波形由电刷放电造成，是辐射发射超标的原因。

图7 电机端口共模电流—时域

经过预评估分析，该散热风扇的电磁干扰源以共模电流为主，差模电流次之。这一特性为后续的滤波设计提供参考，如图8所示。

图8 电磁干扰特性

2 电磁干扰优化设计

在电子产品中加入滤波电路是工程实际中抑制电磁干扰的一般方法，可以把不需要的电磁能量，即电磁干扰降低至理想水平，使得电子产品性能符合相关法规要求［13］。

2.1 超限频段分析

根据国家标准GB／T 18655与欧洲标准CISPR 25中汽车零部件的电磁兼容测试布置要求，在半电波暗室中对待测散热风扇的传导与辐射发射水平进行摸底测试，测试结果如图9～13所示。

在图9中，传导发射在30～50 MHz频段内都严重超过CISPR 25等级3限值，如在45 MHz处的发射值超出限值15 dB，而在48 MHz处的发射值超出限值20 dB。在图10中，0.15～30 MHz的辐射发射在28 MHz附近有一明显的谐振点，并且超出CISPR 25等级3限值4 dB，与上文分析的共模电流一致。

图9 传导发射摸底曲线（0.15～108 MHz）

图10 辐射发射摸底曲线（0.15～30 MHz）

图11为待测散热风扇在30～200 MHz内的垂直与水平极化辐射发射曲线。第1个谐振点在47.64 MHz附近，垂直与水平极化辐射发射分别超出CISPR 25等级3限值16.4 dB与12 dB。

图11 辐射发射摸底曲线（30～200 MHz）

图12为待测散热风扇在200 MHz～1 GHz内的垂直与水平极化辐射发射曲线。在该频段内，辐射发射水平较低，都在CISPR 25等级3限值以下。图13为待测散热风扇在1～2.5 GHz内的垂直与水平极化辐射发射曲线。在该频段内，除了1.46 GHz频点外（超出限值3.5 dB），其他频段都在CISPR 25等级3限值以内。

图12 辐射发射摸底曲线（200 MHz～1 GHz）

图13 辐射发射摸底曲线（1～2.5 GHz）

由摸底测试结果可知：该散热风扇的主要干扰频段集中在100 MHz以内，这与图4的共模电流测试结果一致。摸底测试结果与机理预评估测试结果相符。

2.2 滤波电路设计

基于预评估测试和摸底测试结果，该散热的传导干扰可看成共模电流和差模电流共同作用的结果，而辐射发射为共模电流所导致。以此设计的滤波电路如图14所示。

图14 共模与差模滤波等效电路图

相比差模电流，该散热风扇的共模电流为无用信号，并且是传导和辐射发射的主要因素，控制其在导线上的幅值显得更为重要。基于工程化与成本的考虑，仅加入共模滤波电路是首选措施。

如图15所示，共模电流从电机端口流出，并在导线上形成电磁辐射，最后通过负载与参考导电桌面返回。为了减少线上的共模电流，可以在共模电流的前进方向上加共模电感，或直接在端口安装旁路电容［14］。器件的参数可依靠电流幅频特性来选取。考虑到成本与装配，共模旁路电容作为首选方案。

图15 共模电流等效电路图

鉴于该散热风扇的干扰集中在100 MHz以内，选择4.7 nF的共模电容组成共模滤波电路，如图16所示。总分布电感LP＝15 nH（引脚为10 nH·cm－1，每个电容引脚总长大约3 cm）。如图17所示，相对于线束与LISN组成的共模阻抗Zin，该旁路电容阻抗在200 MHz以内能够提供很低的低阻抗通路，以达到滤波的目的。与备选的另一个22 nF的共模电容相比，4.7 nF的共模电容在体积更小的情况下不影响滤波阻抗特性，更符合工程实际要求。

图16 共模滤波等效电路

图17 阻抗对比曲线

旁路阻抗Zp与输入阻抗Zin的计算公式如式（1）和式（2）中所示。其中旁路电容Cp＝9.4 nF，电机对地电容Cg＝15 pF，线束的等效共模阻抗Zc＝270Ω，LISN的等效共模阻抗ZLISN＝25Ω。

式（1）和式（2）中：Zp为旁路阻抗；Lp为旁路电感；Cp为旁路电容；ω为谐振频率；Zin为输入阻抗；Zc为线束的等效共模阻抗；ZLISN为LISN的等效共模阻抗；β为相位常数；L为线束长度。

图18～21为优化前后该散热风扇的传导与辐射发射曲线。如图所示，增加该共模滤波电路能够有效减少主要频段的电磁干扰，特别在谐振点28 MHz、30 MHz以及45 MHz附近，发射水平减少35～40 dB，能达到CISPR 25等级3限值要求。

图18 滤波前后的传导发射曲线（0.15～108 MHz）

图19 滤波前后的辐射发射曲线（0.15～30 MHz）

图20 滤波前后的辐射发射曲线－水平极化（30～200 MHz）

图21 滤波前后的辐射发射曲线－垂直极化（0.03～200 MHz）

由于分布电感的影响，在高于200 MHz时，共模电容呈中高阻抗，不再具备滤波作用。因此，该滤波方案主要对200 MHz以下有明显作用，不足以应对高频电磁干扰。在此基础上，可以考虑增加共模扼流圈或设计多级滤波器［15－16］，但这会显著地增加工程成本，还需进一步研究。

3 结论

针对某汽车散热风扇，分析了其有刷直流电机的电磁干扰机理以及产生的传导与辐射发射的原因。通过采集电机端口的共模电流以及LISN上电压、电流，确定其主要的电磁发射频段。分析电压电流时域波形，得出了该有刷直流电机的电磁干扰特性参数。通过预评估测试与分析，确定了电磁干扰源主要为电流换流过程以及电刷所产生的电弧火花。干扰源通过线束形成的共模电流是辐射发射的原因，也是传导发射的主要因素之一。

依据GB／T 18655—2010标准和CISPR 25—2008下的测试结果，通过匹配合适的共模滤波阻抗，合理地设计滤波电路。加入该滤波电路后有效地降低了电磁干扰集中频段的传导发射和辐射发射电压水平。对于高频电磁干扰，还需进一步的研究。