电动汽车DC-DC变换器传导电压法仿真研究

李建群

电动汽车DC-DC变换器传导电压法仿真研究

李建群

（广汽埃安新能源汽车有限公司，广州 510000）

本文提出一种场路协同仿真方法，可用于预测电动汽车DC-DC变换器传导发射的电磁兼容性能。通过该方法得到电动汽车DC-DC变换器的传导噪声电压，仿真与实测结果在量级、趋势和尖峰方面都有很好的一致性，表明该方法有较好的可行性和准确性。所提方法仅需要版图设计文件、磁心器件规格书、器件数据手册和壳体三维模型就可以预测和评估变换器传导发射的电磁兼容性能，因此特别适用于DC-DC变换器开发前期；同时也适用于此类问题的整改过程，只需要在仿真电路中进行调整输出端滤波电容值、添加磁环等改进，就可以快捷而准确地评估改进前后的差异，为DC-DC变换器传导干扰问题的定位和改善提供有力支撑。

DC-DC变换器；传导发射；仿真；传输参数

0 引言

现代汽车逐渐向电动化、智能化、网联化的方向发展，作为电动汽车低压电气设备的“公共电源”和蓄电池电力补充的DC-DC变换器，被称为电动汽车电子电器的“心脏”，其电磁兼容性能的好坏决定电动汽车在车内外复杂电磁环境下工作的稳定性和安全性[1]。其中，DC-DC变换器传导发射的电磁兼容性能尤为重要，传导干扰会直接注入与DC-DC变换器相连的车内全部低压电器，严重污染低压电器的供电电路，甚至影响低压电器的正常工作[2]。

目前，车载DC-DC变换器的电磁兼容性能是在样件生产和调试完成后开展测试和评估的，国标GB/T 18655—2018《车辆、船和内燃机无线电骚扰特性 用于保护车载接收机的限值和测量方法》[3]对传导电压法的测试方法和限值有详细的规定，如果测试结果超过限值，需要对DC-DC变换器内器件进行多次更改甚至修改电路，直到满足要求。相比DC-DC变换器实物的测试和整改，产品工程师更希望通过仿真来预测和评估DC-DC变换器的电气性能甚至电磁兼容性能。

车载DC-DC变换器主电路具有低压大电流输出、高低压隔离等特点，通常采用变压器隔离型Buck拓扑和开关管零电压开通脉宽调制（PWM）控制方式的全桥变换器结构[4]。可利用专业电源仿真软件Simetrix对变换器电路进行仿真，求解器件的电流和电压，计算得到不同变换器拓扑结构的电压增益、导通损耗和变换器效率等电气性能[5]。

在研究DC-DC变换器电磁兼容性能方面，有将有源和无源器件的高频模型添加到车载电源的主电路中，在Saber软件中搭建含高频等效电路模型的车载电源的传导干扰仿真电路，实现对比寄生参数、对地电容对不同位置传导干扰影响的情况[6]；也有利用Matlab/Simulink对Buck、Boost等变换器进行电路方程和器件等效模型构建，仿真并比较两种方法的瞬态变化和稳态响应[7]。这些方法仅将无源器件和有源器件的寄生参数通过RLC简单的并串联等效电路来描述，定性分析了DC-DC变换器不同电路组成对传导干扰的影响。在变换器的器件建模方面，明确了开关器件是电磁干扰（electro- magnetic interference, EMI）的主要噪声源，开关器件的寄生振荡是高频EMI的重要组成部分，振荡频点会出现EMI峰值，通过开关器件分段暂态模型仿真得到电流频谱与电流测量值有较好的一致性[8]。对于影响EMI的重要无源器件——磁心变压器，通过比较多种建模方法，明确了有限元方法是分析几何特性复杂的变压器的非线性参数较优选的方 法[9-11]。数字信号处理器（digital signal processor, DSP）对开关管驱动的仿真电路中也是通过算法转换为电压信号实现对功率开关管的控制[12]。

因此，本文以电动汽车用隔离型Buck拓扑的全桥DC-DC变换器为例，详细说明利用有限元法得到磁心器件、印制电路板（printed circuit board, PCB）等无源器件等效模型的建模方法，验证无源器件的电磁性能及功率开关器件SPICE模型的电气性能后，进行传导电压法场路协同仿真，将协同仿真电路的计算结果与实测结果进行比较，以确认本文方法的准确性和合理性。

1 建立器件仿真模型

电动汽车DC-DC变换器中的磁心器件、金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semicon- ductor field-effect transistor, MOSFET）模型、控制电路和最容易忽略的公共地回路模型的准确性决定了传导电压仿真结果的准确性，在进行场路协同仿真之前，需要对这些器件/电路进行建模验证其电气性能。

用于仿真分析的电动汽车DC-DC变换器带屏蔽结构仿真模型如图1所示，包含磁心器件、PCB、金属壳体和屏蔽罩等。

图1 DC-DC变换器带屏蔽结构仿真模型

1.1 磁心器件建模

磁心变压器和磁心电感都选用平面磁心，磁心直接装配在PCB上，具有较好的可靠性和稳定性。磁心选用型号为LP10的宽温低功耗的锰锌铁氧体材料，材料参数见表1。

表1 LP10型磁心材料参数

从磁心器件的器件规格书和PCB版图文件可知，磁心变压器和磁心电感的绕组都是印制在PCB上，既利用PCB严格的层叠结构确保了器件的一致性，又有利于提高DC-DC变换器的功率密度。

三维电磁场有限元模型是用于传导发射电压法的场路协同仿真计算，传导发射电压法测量的频率范围为150kHz～108MHz，故设置DC-DC变换器有限元模型的求解频率为100MHz，扫频范围为150kHz～108MHz。进行网格剖分和局部网格加密后满足收敛要求的完整DC-DC变换器三维模型网格如图2所示，在几何和材料变化边界处为较好的等边三角形。

DC-DC变换器中的变压器既可以实现用电的分支电路与整个电气系统隔离，保证供电电路和负载电路互相绝缘，又可以将一次侧的脉冲矩形波传递到变压器的二次侧得到另一个电压幅值的交流正弦波，确保能量传输，还能减少电路间的互相干扰。

图2 完整DC-DC变换器三维模型网格

在变压器一、二次绕组接头处添加端口进行仿真，提取传输参数矩阵得到等效模型，磁心变压器一、二次电阻和电感参数曲线如图3所示。

磁心变压器仿真计算的电感值和电阻值见表2。对比器件规格书，磁心变压器一、二次侧的交流、直流电感的标称值与仿真值在量级和趋势方面有很好的一致性，从而明确了磁心变压器电磁性能参数满足设计要求。

根据表2进一步计算得到磁心变压器的匝数比约为14:1，满足电压调节的要求。漏感占比约1.7%，满足变压器漏感占比一般小于2%的要求。磁心材料为空气和磁心材料为LP10的变压器磁力线分布如图4所示，可知增加磁心的厚度可以进一步减小变压器漏感。

图3 磁心变压器一、二次电阻和电感参数曲线

图4 磁心材料为空气和LP10的变压器磁力线分布

磁心电感结构相对比较简单，在电感绕组两端添加端口进行求解，采用提取寄生参数和传输参数矩阵两种方法得到磁心电感等效模型。通过等效模型计算磁心电感的正向传输系数21，磁心电感正向传输系数频谱如图5所示，由于RLC有适用频宽限制，即提取寄生参数法的有效频段是有限的，不能计算得到高频段的耦合特性，而全波电磁场有限元法可以精确计算无源器件宽频段的传输特性。从无源器件提取等效模型的准确性也体现了本文方法具有较高的准确性。

图5 磁心电感正向传输系数频谱

将带有高频耦合特性的传输参数矩阵转换得到参数矩阵，从而得到磁心电感的电感值和电阻值见表2。

表2 磁心器件的电感值和电阻值

1.2 功率开关器件建模

本文研究的电动汽车DC-DC变换器实际电路中使用的MOSFET为安森美公司的NVMFS5C612NL，根据该器件规格书中的输入/输出电容、反向电容、杂散电感和导通电阻等寄生参数，对该器件已有的SPICE非线性仿真模型进行寄生参数确认和添加。MOSFET寄生参数见表3。规格书中的MOSFET输出特性曲线如图6所示。搭建输出特性仿真电路，得到MOSFET仿真输出特性曲线如图7所示，与规格书中的输出特性曲线有很好的吻合。因此，开关管模型在电磁兼容性能和电气性能方面有较高的准确性，满足后续的传导发射电磁兼容仿真要求。

表3 MOSFET寄生参数

图6 规格书中的MOSFET输出特性曲线

图7 MOSFET仿真输出特性曲线

1.3 控制信号建模

通常用独立的驱动芯片实现对开关管的驱动，仿真时很难获得驱动芯片的输出波形，对驱动芯片进行电路建模更是难以实现。本文用于仿真分析的DC-DC变换器中使用的是TI公司的UCC27201AQ隔离式栅极驱动器，在仿真时也存在同样的问题。在搭建传导电压法协同仿真电路时，用一个可以设置电压值、占空比和上升沿/下降沿的数字信号电压源作为开关管的电压驱动信号，开关频率选定为87kHz，通过对控制信号的占空比、上升沿/下降沿的敏感度分析发现，占空比直接影响变换器输出电压，控制信号占空比与输出电压关系如图8所示。控制信号的上升沿/下降沿对变换器输出电压基本没有影响，故根据驱动芯片的器件规格书将控制信号的上升沿/下降沿选为典型值20ns。

图8 控制信号占空比与输出电压关系

1.4 公共地回路建模

电源线与回路地形成的回路电流会产生传导干扰。DC-DC变换器的地回路既有电源线与金属壳体间电容耦合、电源线间电感耦合形成的回路，又有逆变器输入端和输出端与壳体、散热片的耦合、变压器一次侧和二次侧之间的电容耦合形成的回路，可以看出地回路是最容易忽略且最复杂、很难建模的部分。

为了保证获得完整的DC-DC变换器地回路参数，将磁心器件、PCB、金属壳体放入一个三维模型中进行仿真计算，提取整体的传输参数作为等效电路用于场路协同仿真，这样既包含了完整的地回路，又可以利用地回路的简化满足计算效率和精度的要求。

2 仿真结果与实测结果对比

电动汽车DC-DC变换器传导发射是车载电源电磁兼容重要的测试项，GB/T 18655—2018是用于测试车载电源电磁兼容性能的标准，规定了车载电源传导发射强度的限值和试验方法，测试频率范围为150kHz～108MHz，要求DC-DC变换器输出端传导干扰电压的频谱在测试频率范围内必须在标准限值以下。

根据输出电压与控制信号占空比的关系，调整场路协同仿真电路中控制信号占空比约为0.72，仿真计算时间为400ms，为了保证对控制信号上升沿/下降沿20ns较好的采样精度和满足频谱图的频率上限要求，时间步进设置为2ns，得到DC-DC变换器的输入和输出电压时域波形如图9所示。其中实线为DC-DC变换器输出电压时域波形，平均值约为13.97V且有明显的纹波。

图9 DC-DC变换器的输入和输出电压时域波形

将时域波形进行傅里叶变换得到DC-DC变换器直流输出端传导噪声电压频域曲线如图10所示，图中虚线是GB/T 18655—2018中传导发射电压法Class3的峰值门限值（广播+移动设备频段），点划线为实测结果，实线为无输出端滤波电容的仿真结果，传导发射噪声电压明显超出标准限值。

图10 DC-DC变换器直流输出端传导噪声电压频域曲线（无滤波电容）

3 优化方案的建模和仿真结果对比

3.1 在输出端添加滤波电容

由设计经验可知，在DC-DC变换器的输出端加入滤波电容可以对传导发射噪声电压进行抑制，但通常并不明确添加多大的电容和抑制效果，设计时需要反复调整、焊装和测试。在场路协同仿真电路中，输出端位置加入滤波电容，只需要设置不同的电容值（4nF、10mF、100mF）进行计算即可直接评估结果。DC-DC变换器直流输出端传导噪声电压频域曲线如图11所示。

3.2 在输出端母排添加磁环

在输出端母排添加磁环也可以有效抑制输出端传导干扰。针对这类整改措施，现阶段工程师大都对DC-DC变换器实物进行整改，更换不同磁环取其中效果最好的。由于磁环的多个参数对结果都有影响，使整改过程既费力又费时。这种情况下采用本文方法，在三维仿真模型输出端母线的位置添加磁环器件三维模型，设置不同磁环参数进行参数敏感性分析，可快速而准确地选定磁环并预测结果。

整改前后的仿真模型如图12所示，添加磁环后传导发射噪声电压的频域曲线如图13所示，由图可知，添加磁环后传导噪声电压在整频段有约10dB改善。

图12 整改前后的仿真模型

3.3 对频段噪声的研究

对比上述仿真和测试结果发现，在相对较低频段，仿真结果与测试结果在量级、趋势和峰值方面都有很好的一致性，但在相对较高频段，仿真值明显低于测试值。这是由于该DC-DC变换器的控制板和车载充电机（on board charger, OBC）的控制板合成一体，没有加入两个控制板对DC-DC变换器传导干扰的影响。测量电动汽车车载充电机的热背景噪声，与仿真结果进行叠加，叠加后的曲线如图14所示，叠加后的曲线和实测值在全频段的量级、趋势和峰值方面都有很好重合，进一步表明DC-DC变换器中开关电路产生的传导噪声主要对整个测试频段内较低频率产生影响。

图13 添加磁环后传导发射噪声电压的频域曲线

图14 直流输出端传导噪声电压仿真值+设备开机底噪的频域曲线

4 结论

本文提出了一种仅通过设计电路图、PCB版图文件及影响场分布的结构件三维模型和器件规格书来预测电动汽车DC-DC变换器传导发射电磁兼容性能的仿真方法，能够对多种改进方案进行仿真，快速预测结果并确认最优的改进措施，可显著缩短产品的研发周期，降低产品整改难度，特别适用于产品正向开发及问题定位和整改，具有很好的可行性和实用性。

通过三维电磁场仿真软件建立由磁心器件、PCB版图和地回路组成的完整的DC-DC变换器三维有限元模型，将计算得到的传输参数矩阵的等效模型放入系统级仿真软件中，与开关管非线性模型、线路阻抗稳定网络（line impedance stabilization network, LISN）模型及控制电路模型进行场路协同仿真，由于有限元模型、开关管非线性模型都有较高准确性，保证了DC-DC变换器传导发射电磁兼容性能仿真结果的准确性。

还可以进行多种改进并快速预测结果，加入nF级滤波电容可以对高频噪声进行约30dB有效抑制，加入mF级滤波电容可以对高低频噪声进行约40dB有效抑制，加入磁环可以对高低频噪声进行约10dB有效抑制。同时表明DC-DC变换器中开关电路产生的传导噪声主要对整个测试频段内的较低频率产生影响。

综上所述，本文介绍的包含三维有限元模型和开关管非线性模型的场路协同仿真方法是一种准确且有实用价值的电动汽车DC-DC变换器传导发射电磁兼容性能预测和评估方法。

[1] 汪泉弟, 郑亚利. 电动汽车的电磁兼容原理、仿真模型及建模技术[M]. 北京: 科学出版社, 2017.

[2] PRESSMAN A I, BILLINGS K, MOREY T. 开关电源设计(第三版)[M]. 王志强, 肖文勋, 虞龙, 等译. 北京: 电子工业出版, 2010.

[3] 车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车载接收机的限值和测量方法: GB/T 18655—2018[S].北京: 中国标准出版社, 2018.

[4] 徐晨汀. 汽车应用HV-LV DC-DC变换器的设计研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2016.

[5] 薛佃旭. 低电压输入高增益DC/DC变换技术研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2020.

[6] 邱紫敬. 车载充电电源的电磁兼容研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2013.

[7] ISEN E. Modeling and simulation of DC-DC conver- ters[J]. Electronic Letters on Science & Engineering, 2021, 17(1): 30-41.

[8] 黄华震, 仝涵, 王宁燕, 等. 考虑寄生振荡的IGBT分段暂态模型对电磁干扰预测的影响分析[J]. 电工技术学报, 2021, 36(12): 2434-2445.

[9] 朱庆伟, 陈德清, 王丽芳, 等. 电动汽车无线充电系统磁场仿真与屏蔽技术研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(增刊1): 143-147.

[10] 王迎迎, 程红. 应用于功率变换器的多绕组高频变压器模型[J]. 电工技术学报, 2021, 36(19): 4140- 4147.

[11] 杜国安, 徐玉珍, 兰生, 等. 基于磁-结构场耦合的变压器绕组变形的因素分析[J]. 电气技术, 2021, 22(1): 1-7.

[12] 张治国. 10kW三电平有源功率因数校正的控制方法[J]. 电气技术, 2021, 22(4): 50-56.

Simulation research on conducted voltage method of DC-DC converter in electric vehicle

LI Jianqun

(GAC Aion New Energy Vehicle Co., Ltd, Guangzhou 510000)

In this study, a co-simulation analytical method is introduced, which can be used to calculate the conducted noise voltage of DC-DC converter in electric vehicle. The simulation result of this method is in good agreement with the test result in magnitude, trend and peak values, which shows that the method is feasible and practical. This method is especially applicable to the early stage of DC-DC converter development. Only the PCB layout, magnetic core specification, device datasheet and 3D model are required to predict and evaluate the conducted emission of the converter. It is a good method to evaluate the optimization and improvement impacts by adding magnetic core into the full 3D model, or changing the value of the output filter capacitors in the simulation circuit. It provides an important support for the positioning and rectification of component level electromagnetic interference problem of conducted emission in DC-DC converter.

DC-DC converter; conducted emission; simulation; S-parameter

2022-07-18

2022-08-15

李建群（1977—），女，昆明人，本科，工程师，主要从事电动汽车整车和部件的电磁兼容仿真、设计和整改工作。