电驱系统电磁兼容基础知识及测试方法
电驱系统电磁兼容基础知识及测试方法
学习参考：驱动视界公众号、百度百科、《电动汽车电机驱动系统EMC研究综述》
1.背景
2.电磁干扰三要素
3.电波暗室与屏蔽室的原理
4.测试方法
5.如何看测试数据
6.工作中需要注意的EMC的几点问题
7.案例
1.背景
汽车工业发展经验表明，汽车电子系统出现非预期工作的情况有两个重要的技术原因:软件缺陷和电磁干扰。电子系统故障不仅给用户带来烦恼，同时会对汽车或其他物体造成损坏，甚至会引起交通事故，造成人员伤亡。
我们主要聚焦于 EMC与 ISO26262所要求的功能安全的紧密关系。
首先要了解功能安全和 EMC在汽车电子领域的应用，由于功能安全是汽车电子开发领域刚兴起的一个技术热点，这对汽车工程师和EMC工程师在该技术领域的启蒙是有益处的。
在汽车产业中，使用V模型描述开发过程是很普遍的，因此，有必要对V模型展开讨论，并将功能安全设计流程和EMC设计流程集成到V模型中。
说到电磁兼容，很多人第一反应肯定是电磁炮或者磁悬浮列车。其实电磁场的理论不仅在民用电子产品，军事上，尤其是航空航天的领域升是绝对的核心内容。下面举几个例子让大家看看什么是电磁兼容。
1982年，英阿马岛战争，英国某著名驱逐舰由于受到飞鱼导弹的攻击而沉没。其实当时英舰上已经装载了反导弹侦查系统，本来阿根廷进口的飞鱼就是法国的减装版本，抗电磁干扰能力极差。可惜当时那位倒霉舰长正在使用无线电通讯系统与英国本部联系，这个无线电系统在工作时会需要关闭反导系统，因为反导系统工作时产生的电磁场会严重干扰舰上的无线电通讯。所以很不巧的事情发生了，老旧的飞鱼畅通无阻的击中了谢菲尔德。
目前，针对大功率、大电流的车用电气系统EMC标准还未出台，而随着电动汽车产业的不断发展以及相关EMC标准的规范，迫切需要研究电机驱动系统的EMI机理、试验测试方法、预测分析方法以及EMI抑制技术等，这对提高电动汽车整车EMC性能、缩短产品开发周期、节约成本等具有重要的理论意义和工程实用价值。
电动汽车电机驱动系统
电动汽车借助蓄电池或超级电容提供能量，利用电力电子装置DC/AC(或DC/DC)进行能量变换提供给交流电机(或直流电机)负载进行驱动。
下图以交流电机为例的电动汽车驱动系统的结构框图和示意图:蓄电池(或超级电容器)、主电路、控制电路、电机共同构成了整个驱动系统，粗实线表示的是大功率、大电流线缆。
从图(a)中可以看出整个系统结构非常复杂，既包括300V左右的高压设备和线缆，又包括5V左右的微控制器电路。数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)控制电路由12V蓄电池通过小功率的DC/DC变换模块供电，并发出驱动信号(通常是10V左右的PWM信号)驱动主电路的绝缘栅门极晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator, IGBT)模块实现电机供电或调速。
蓄电池提供的直流电通过逆变电路中IGBT模块快速通断而转换以供交流电机正常工作的交流电，如图(b)所示。
电机驱动系统EMC环境
由于电动汽车电机驱动系统的高电压、大电流以及复杂的结构，使其电磁干扰能量较大、频带较宽且传播耦合路径呈现多样性，这增加了电机驱动系统EMC研究的难度。
但就EMI的基本性质而言，电机驱动系统EMI与其他电子设备或系统的EMI一样，都是由电磁干扰源、传播路径(或耦合通道)和受扰体(敏感体)3个基本要素组成，如图2所示。
因此只需要切断三要素中的任何一个环节，电机驱动系统的EMI问题都能得以解决。
电磁干扰源
从上图的电机驱动系统结构与示意图可以看出，整个电机驱动系统的电磁环境非常复杂，其中，控制电路上的时钟信号、数字信号、驱动信号是DSP上的主要干扰源，但相对于主电路以及电机等大功率、大电流设备，其抗干扰能力较弱;由于主电路(逆变电路、电缆)和电机存在大量的杂散电感和电容，在驱动电路作用下，开关器件开通和关断必然会导致电压和电流在短时间内发生瞬变(IGBT最快能到上百纳秒)，形成高的du/dt和di/dt，对整个系统造成很强的电磁干扰，是系统的主要电磁干扰源。
传播途径
电磁干扰以传导和辐射的方式进行传播，相应的传播途径也不同。
传导电磁干扰传播，是指通过导线或其他元器件(如电容、电感等)，以电压或电流的形式，将电磁噪声的能量在电路中传送。
辐射电磁干扰传播，则是指辐射干扰源在空间以电磁波的形式传播。
在电机驱动系统EMI作用下，根据传导干扰方式的不同，把EMI分为共振(Common Mode)干扰和差模(DifferentialMode,DM)干扰两种形式。他们产生的内部机理有所不同，共模干扰源产生的主要原因是电路中的高du/dt对寄生电容进行放电，产生的高频共模电流通过相线、寄生电容和地构成流通回路;差模干扰是指相线之间的干扰，由逆变器工作时产生的脉动电流di/dt引起，直接通过相线与电源形成干扰回路，差模干
扰和共模干扰传播途径如图所示。
当电路中的干扰在30MHz以上时，干扰源就会以电磁波的形式在空间传播至受扰设备。
2.电磁干扰三要素
电磁兼容原理：
汽车零部件对应的电磁兼容测试国际标准：
3.电波暗室与屏蔽室的原理
半电波暗室（主要用来进行辐射发射与辐射抗扰度的测试）：
电波暗室，是主要用于模拟开阔场，同时用于辐射无线电骚扰(EMI)和辐射敏感度(EMS)测量的密闭屏蔽室。电波暗室的尺寸和射频吸波材料的选用主要由受试设备(EUT)的外行尺寸和测试要求确定，分1m法、3m法或10m法。
电波暗室主要组成结构主要为屏蔽室和吸波材料。屏蔽室由屏蔽壳体、屏蔽门、通风波导窗及各类电源滤波器等组成。根据用户要求，屏蔽壳体可采用焊接式或拼装式结构均可。吸波材料由，工作频率范围在30MHz～1000MHz的单层铁氧体片，以及锥形含碳海绵吸波材料构成，锥形含碳海绵吸波材料是由聚氨脂泡沫塑料在碳胶溶液中渗透而成，具有较好的阻燃特性。
屏蔽室（主要用来进行大电流注入，带状线等测试）：
电磁屏蔽室是电磁兼容（EMC）领域的重要内容，电磁屏蔽室就是一个钢板房子，冷轧钢板是其主体屏蔽材料。包括六面壳体、门、窗等一般房屋要素，只是要求严密的电磁密封性能，并对所有进出管线作相应屏蔽处理，进而阻断电磁辐射出入。
4.测试方法
辐射发射RE
频率范围:0.15MHz~3GHz
测试方法:使用半电波暗室，对应天线检测产品(包括其线束，
辅助设备)发射的全频段电磁波强度，有一定限值规定。
传导发射CE
频率范围:0.15MHz~108MHz
测试方法:使用屏蔽室(也可使用电波暗室)，对应人工电源
网络检测产品在电源线和对应电流监测钳在信号线上发射的全频段电磁波强度，有一定限值规定。
瞬态传导发射CTE
测试频率:一般30Hz,50Hz，也可由客户指定。
测试方法:使用示波器测量电源线在开闭的瞬间产生的瞬态脉冲，必须在规定限值之内。
辐射抗干扰RI(ALSE):
频率范围:80MHz至3GHz
测试等级:50V/m至600V/m
测试方法:半电波暗室，使用对应频段天线发射固定能量电磁场，观察产品在电磁场完全覆盖下功能是否正常。
大电流注入BCI
频率范围:0.1MHz至400MHz
测试等级:30mA至300mA
测试方法:使用电流注入钳对产品线束的不同位置注入感应电流，观察产品功能是否正常。根据法拉第定律，由电流注入钳产生强大磁场，然后在其中心穿过的线束上再产生大的感应电流。
带状线抗干扰STRIPLINE
频率范围:0.01MHz至400MHz
测试等级:25V/m至200V/m
测试方法:使用带状线耦合板对产品线束放射均匀电磁场，观察产品功能是否正常。
由两块金属板连接(由电阻负载连接)而成，位于下部的平板接地，上部金属板则接通由射频信号发生器经过功率放大器产生以频率为基准的高射频信号能量。两块板之间的电势差会产生电磁场。
TEM小室
频率范围:0.01MHZto200MHz
测试方法:使用TEM微型暗室对产品发射均匀电磁场，观察产品功能是否正常。原理类似带状线。
瞬态脉冲传导抗扰度测试CI
脉冲电压:±600V
测试方法:使用可编辑脉冲信号发生器在产品电源线与信号线端叠加脉冲干扰信号，观察产品功能是否正常。
瞬态现象发生的原因:
是一稳定的系统突然发生变化(稳态的改变:由一稳定状态突然改变至另一稳定状态)所引起的现象，在变化的过程中会产生瞬间、短暂的电流或电压脉冲现象，其瞬间脉冲的延续时间极短,从毫秒至微秒不等。车辆在行使过程中，作为一个独立的发电和耗电系统，常常会因为其内部各部件工作不畅而导致其电力系统上产生各种瞬时的干扰脉冲，这种干扰脉冲通过车载电缆传导到各个电子部件上，非常有可能引起误操作现象发生，甚或击坏电子产品。瞬态现象大致可区分为感性负载变化、抛负载脉冲、切换过程所产生的瞬态波及供电电压下降等。
低频磁场抗扰度测试MFI
频率范围:60Hz至30KHz
测试方法:使用低频磁场线圈产生固定频率固定能量磁场对产品各个面进行扫描，观察产品功能是否正常。
静电放电测试ESD
静电电压等级:±2KV至±30KV
测试方法:使用静电枪在空气放电与接触放电中对产品外壳,连接器引脚，螺丝口，缝隙，散热孔等等一切可以被接触到的地方进行静电放电。观察产品功能是否正常。
假设人体本身不带电，但是当人体走过带毛的脚毯或者背部与座椅的垫子进行了摩擦，这时，电荷会在垫子，脚毯与人体之间相互移动。这个过程就是摩擦充电。当充电电荷积压到无法再容纳的时候，如果人体触碰到低电势的车上某个零部件或者车门等等，就会产生放电。空气放电模拟的是人的手指间接放电(还未触碰到放电点)，接触放电模拟的是人使用工具触碰到放电点位置时放电的现象。
5.如何看测试数据
关于产品抵抗外界干扰测试的数据
这部分测试没有详细的频谱图，主要是观察产品在测试中产生的异常现象，并记录当时的触发频率点以及测试等级。使用示波器或PXI采集卡收集当发生异常现象时产品的各被项监控的性能参数变化，从而分析异常原因。
关于产品对外干扰发射值的测试数据
关键点:限值(由标准或技术规范规定好的限定值，针对峰值/准峰值/平均值都有各自的要求)，峰值/准峰值/平均值(由天线传到接收机后读出的产品的每一个频率点的实际电磁场强度值)，频率点(由接收机读取的产品电磁波发射的频率值)。通过比较每次测试得到相同频率点下不同的峰值/准峰值/平均值来知道整改措施是否有效。
峰值/准峰值/平均值:每一个频率点都有3个值，大小关系为峰值>准峰值>平均值。由于准峰值测量占用的时间比较长，测试的效率比较低，作为改进，实用中常用峰值检波作第一轮测试,因为三种检波当中，用峰值检波得到的测值应当最高，如果首轮测值比标准给定的准峰值和平均值限值都要来得低的话，则以后的试验不用进行，便能判定试验已经通过。如果峰值测试中有部分测值高于标准规定准峰值和平均值，则就取超过部分的频段补做准峰值和平均值的测试，即使这样，整个测试时间也短于全部用准峰值和平均值检波的测试。
6.工作中需要注意的EMC的几点问题
测试的具体布置
每一项测试的具体布置必须在测试计划中详细规定清楚，尽量使用自己绘制的布置图，不要直接套用标准中的图片，因为每一个产品的辅助设备，系统集成情况都不一样。
测试布置必须遵从之前和客户达成的协议(CRD)。
测试布置描述应包括以下内容:线束，负载箱，信号源，被测试物，辅助设备，电源，监控设备等等。
把这些部分都组合在一起，就可以进行EMC测试之前的底部噪声测试，要保证除被测试物不工作，其他辅件都工作的情况下低于测试限值一定量以下(一般是6dB)就可以进行测试了。
一些小窍门:绑紧测试线束，尽量使用阻性负载，监控设备尽量使用光纤，预测试时检验辅助设备的EMC性能是否可靠，供电电源使用汽车电瓶(尽量别用直流源)。
正确的产品研发中的EMC流程
在产品新项目报价开始:与客户协商EMC指标要求，根据产品设计前预估的EMC性能尽量订得合理，不要超高也不能低于行业平均水平，一定要咨询EMC工程师的意见。这点很重要!
在产品研发阶段:在原理图，电路板设计时都要考虑EMC的影响，这个时候多念经，将来就不用去抱佛脚。
在产品测试阶段:和EMC工程师密切联系，遇到EMC问题不要慌张，总有办法解决的。在做实验前一定要写好测试计划并按照正式实验的要求去做摸底实验，目前CTC有自己的EMC实验室，大家可以通过相关的验证工程师协助预定。在摸底测试通过以后才能进行正式验证。
在产品量产后阶段:如果在客户那里实车安装后产生了EMC问题，首先要排查清楚干扰源是什么，干扰途径有哪些?然后和EMC工程师一起解决。
编写测试计划
EMC测试计划由EE编写，EMC工程师审核并批准后才能生效有些测试计划同时需要客户的直接批准，如通用项目。
写好测试计划的关键点有以下几点:
所有与客户协商后定好的EMC指标要求必须都写进测试计划里。
测试计划中每项测试必须必须详细到每个受测点，产品性能要求要详尽。要有一个完整的测试中监控产品性能参数的表格。
测试计划要写得通俗易懂，详细。最终目标是做一份傻瓜式的测试计划，即使不懂EMC的人也能按照此测试计划做实验。
测试计划的内容如有变更，一定要在测试计划中标明变更的内容与原因并更新计划的版本。
时间概念:
时间就是金钱，测试前需要预估整个项目全部EMC测试的时间，需要和EMC工程师沟通。每一家客户要求不一样的话测试时间都会不同。这对于预定EMC实验室很有帮助。
7.案例
有一BCM产品是4层板，3层与4层(底层，有少部分元器件，无处理器)为相邻走线层。其中3层有多根SPI信号线与4层多根模拟量I/O线在同一区域内平行布置，造成RE与CE同时超标。
解决方案:重新走线，将平行部分改为垂直交叉摆放，并且在SPI信号线邻近处铺地或打地孔保护。RE与CE同时通过测试要求。
方案切入点:抑制干扰途径。
