引言

大功率DC-DC变换器是新能源汽车动力系统的重要组成部分，由主电路、控制电路两部分组成。主电路具有高功率密度、高电压、高电流变化率的特点，工作时电磁骚扰强度大。

某电动车型的开发性试验（电磁骚扰测试）中，车辆的电磁骚扰测试结果严重超标，排查定位的主要骚扰源为大功率DC-DC 变换器。测试发现，变换器工作时产生严重的电磁骚扰，影响了整车电磁环境，导致敏感车载电器非正常工作。

1 电磁骚扰测试

1.1电动汽车未达标情况统计

汇总100 辆电动汽车的实验室测试数据，分析150 kHz~1 GHz 车辆各频段的未通过情况，图1 是新能源汽车样品未达标情况分布统计，发现30 MHz~1GHz 频段未通过车辆较多，30% 的车辆超标。

电动车辆电磁场的测量目前执行GB 14023-2011《车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车外接收机的限值和测量方法》、GB/T 18387-2017《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法》；零部件高压器件，一般采用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无线电骚扰特性的限值和测量方法》（国际上采用CISPR 25-2016《车辆、船舶和内燃机 无线电干扰特性 船载接收机保护用测量的限值和方法》）测量电磁骚扰特性。

1.2 DC-DC 变换器电磁骚扰特性测试

按GB/T 18655-2018 高压器件测试要求， 将接电动汽车DC-DC 变换器电磁骚扰的抑制收机、高低压LISN（Line-impedance stabilizationnetwork）、以及蓄电池等放在实验桌上搭建测试平台。如图2，采用320 V 高压输入，经DC-DC 变换器输出14.2 V 电压为蓄电池充电，同时在蓄电池后面接模拟负载，尽量模拟电动汽车实际工作状态。分别进行传导骚扰和辐射骚扰测试。测试曲线如图3、图4 所示。

测量DC-DC 变换器电源端口传导骚扰时，采用高压LISN 隔离电网干扰，高压LISN 一端接测试线缆，另一端接50 Ω 阻抗。图3 的测试曲线表明：500 kHz~2 MHz 具有规律明显的100 kHz 开关频率信号，其来源主要是功率开关管，同时30~60 MHz 干扰比较明显；图4 的辐射发射测量曲线中，78.3 MHz、88.55 MHz、142.4~200 MHz 干扰较强。测试数据表明，该DC-DC变换器在零部件测试中不满足标准限值要求。

2 电磁骚扰机理分析

2.1 DC-DC 变换器的工作原理

电动车DC-DC 变换器的作用主要是将车内的高电压转换为低电压，并为车载蓄电池充电、或为低压零部件供电。本电动车DC-DC 采用全桥Buck 变换电路，将高压动力电池320 V 电压降为14.2 V，为车载蓄电池以及其他12 V 用电器提供稳定的电压。其电路拓扑图如图5，DC-DC 变换器选用Q1~Q4 四个桥臂组成的全桥电路，免除了泻流干扰及波形变坏。

（1）DC-DC 功率器件阻抗特性

DC-DC 变换器涉及到高电压、大电流，一般由电容、电感、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等大功率器件组成。功率器件规格、参数、工作状态不同，产生的干扰信号频率不同，同时也会产生一些差（共）模干扰信号，从而影响车内其他零部件的工作特性。分析实际应用中电容的高频特性时，需要考虑其寄生电感LS、分布电阻RS、谐振频率fR、等效阻抗Z 等因素，电容C 的谐振频率和等效阻抗分别按式（1）、式（2）计算:

设计初期选择功率器件时就要计算其谐振频率、电路阻抗等参数，以此来选择电容、电阻、电感等，避免功率器件的谐振频率落入工作频带内带来干扰信号。

（2）IGBT 开关管的工作特性

Buck 电路通过控制开关管的通断实现降压。如图6，实际电路搭建测试发现：开关管通断两侧的电压波形会出现凸起和跌落，开通、关断瞬间开关管伴随有较大的电压变化（dv/dt），波形失真、出现振荡波，产生较强烈的电磁干扰。

2.2 电磁骚扰耦合方式

产生电磁骚扰必须具备发射器（干扰源）、传播途径、接收器（干扰对象）三个条件，图7 为电磁骚扰耦合方式示意。电动车辆的高压动力系统中，传导骚扰与辐射发射是比较常见的两种干扰方式。

DC-DC 变换器功率开关IGBT 管的通断导致电路滋生较快的电压变化，形成尖峰电压，产生电磁骚扰，通过电路电源线输出干扰，影响车载用电器。变换器的设计初期，电路输入端选择的电容值较小，高频特性较差，电容自身的高频阻抗会导致高频电流传到交流电源中，形成传导型电磁干扰]。

变换器主要由磁性元件（电感或变压器）、功率开关器件（IGBT）等构成。高频变压器的初级线圈、功率开关器件和滤波电容构成的高频开关电流环路会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。

实际电路中，常常同时存在传导和辐射两类干扰方式，并且因传输线路节点处阻抗的不匹配，两种干扰传输中还会相互转化。

3 电磁骚扰抑制的分析与建议

3.1 软开关应用

传统电路设计中采用硬开关，开关过程中存在电压和电流均不为零的重叠交越区域，这个交越区域造成的开关损耗称为开关管的切换损耗，同时这期间电流、电压变化很快，波形有明显过冲，导致开关噪声。在电路设计中引入软开关技术，可实现零电压与零电流开关运行，大大减小功率器件（IGBT）、变压器中电压和电流的变化速度（dv/dt，di/dt），即功率管能在零电压下导通和零电流下关断，大幅减弱DC-DC 转换器的电磁骚扰，如图8 所示。

DC-DC 功率变换器后期改进时，应用移相全桥零电压开关PWM 控制方式实现零电压开关，为每个开关管增加缓冲电路，电路中同时增加谐振电感Lr，使四个开关均为零电压开通，避免开关管开断时引入电路突变杂波信号。拓扑结构如图9。

利用Multisim 仿真分析，其每个开关管导通时间略小于1/2 周期，关断时间略大于1/2 周期，其中Q1、Q2 比Q3、Q4 超前约1/2周期，即Q1、Q2 为超前桥臂，Q3、Q4 为滞后桥臂。在Q1、Q4 闭合，Q2、Q3 断开时，变压器原边开始向正半周VDQ1 输出。当Q1 断开时，通过VDQ2 续流，此时Q2 实现零电压开通；当Q4 关断时，VDQ3 续流，实现Q3 零电压开通。同理，实现Q1 和Q4 零电压开通。谐振电感Lr 与回路开关管间的电容组成谐振回路，每个桥臂的两个开关管成180 互补导通，两个桥臂触发角的相位差，即移相角，通过调节移相角可以调节输出电压。

3.2 电路寄生参数分析

实际电路中，共模（差模）干扰信号经常影响功能器件的正常工作。因此，电路设计阶段的回路阻抗分析以及滤波器件参数选择很重要。理论上，部分高频干扰电流通过对地寄生电容流向地，形成共模干扰；另一部分会在功率器件（IGBT、变压器等）之间形成电流环路，产生差模干扰。

DC-DC 变换电路的共模寄生电容存在于开关管之间，开关器件的开通或关断电压是主要干扰源。经理论计算和仿真分析，开关器件电磁兼容性能超标的源头为开关器件之间的阻抗匹配情况，以下重点分析共模寄生参数分布。如图10 所示，将四个开关管（Q1~Q4）和硅堆（D1、D2）的对地共模寄生电容（C1~C4、C6）作为共模路径的寄生阻抗，功率器件漏极与散热器之间的电压差值为系统的共模干扰电压源（Vcm）。

经查阅资料可知，变换器共模回路的欧姆关系为：

式中Vcm 是共模干扰电压源，Zline 是共模回路中连接线的寄生阻抗，变压器可看作连接线阻抗的一部分，但其值远小于回路寄生阻抗，可以省略不计，由此得到回路中共模寄生参数引起的阻抗为：

式（5）中，d 表示导热硅脂的涂膜厚度，ε 为导热硅脂的介电常数，S 表示功率器件的导热面积。因此，理论上可通过改变这三个因素（d、ε、S）调节回路阻抗特性，减小甚至杜绝回路中的共模干扰。

3.3 屏蔽措施

（1）线束屏蔽

整车线束的设计、零部件之间连接线束的屏蔽性能也影响整车的电磁兼容性能。选用线束时需采用双绞线、分层式排列等，要考虑线束电压降、接地电阻等理论参数。

采用网络分析仪与阻抗测试设备，测试整车与DC-DC 变换器连接线束的输入阻抗，测量谐振频率、动态电抗、动态电容、动态电感等特性值，生成转移阻抗特性图。在100 kHz~40 MHz 频段内，进行几组线束测试，选用一组阻抗（屏蔽）特性、转移阻抗相对较好的线束与DC-DC 变换器连接进行零部件电磁骚扰特性测试验证，发现干扰降低2~3 dB。

因此，做好线束屏蔽，可以改善整车电磁环境。线束转移阻抗曲线如图11。

（2）其他屏蔽措施

途径，实际上很多产品都是在成型之后、PCB 板设计已定型时出问题，此时，采用以下方式进行性能提升：

（a）改良电子设备中的电路设计，采用滤波器件、不同特性元器件分开布局，合理的使用X 与Y 电容，降低电路中共模与差模信号的干扰；

（b）外壳辐射电磁波较强的电子设备，可在其辐射功率较大的电路和器件周围，添加电磁波屏蔽罩、粘贴金属箔、喷涂导电涂料、镀导电金属层或加装吸波材料 ；

（c）实际测试分析过程中，如设备某频段的传导骚扰电平超标，可查阅图12 找出占主导地位的传导骚扰信号类型，为EMI 滤波器网络结构及参数的调整提供指导。

4 DC-DC 变换器EMI 性能优化

结合理论分析，DC-DC 变换器电路中开关器件的通断设计成软开关方式，降低开关管的杂波信号；应用滤波电容和电感，改变电路阻抗特性，降低共模信号干扰，从源头上解决了DC-DC 变换器EMI 超标的问题；反复整改后，100 kHz 开关频率干扰明显下降，30~60 MHz 干扰下降显著，如图13、图14。连接DC-DC变换器的整车线束也进行了屏蔽处理，采用转移阻抗为6.2 mΩ 的屏蔽线束进行连接，最终产品DC-DC变换器达到了指标要求，整车测试也满足国家标准GB 14023-2011、GB/T 18387-2017 要求。

5 结语

电动汽车DC-DC 变换器的大功率器件易产生传导和辐射干扰，影响电动汽车的电磁兼容性。电路前期设计过程中，应重视DC-DC 工作原理及功率器件理论特性的分析，为电路的后续完善奠定基础。整改时采用滤波器、移相全桥零电压开关PWM 控制电路都可以降低开关频率的干扰，对与电路中的寄生参数相关的物理量进行优化设计，在常规屏蔽措施的基础上，采用屏蔽性能良好的线缆，可进一步改善整车电磁兼容性。