广汽埃安新能源汽车公司李建群：电动汽车DC-DC变换器传导电压法仿真研究

广汽埃安新能源汽车公司李建群：电动汽车DC-DC变换器传导电压法仿真研究

　　扣扣刷赞软件,英语课本软件,系统软件定制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。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。

　　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》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。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。

　　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；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。

　　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。

　　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。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。

　　研究人员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。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。

　　他们指出，该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。

　　据介绍，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。

　　此外，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μF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。

　　研究人员强调，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。它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。

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