CST電動汽車EMC仿真(二)- 電機控制器MCU的EMC仿真
作者 | Zhou Ming
電機控制器(也稱為電機驅動器或者逆變器),是用來控制電機運轉的核心組件,它可以控制驅動電機的轉速、轉矩、輸出功率等重要參數(shù)。在電機運行中,電機控制器還可以通過傳感器監(jiān)測電機的運行狀態(tài),并通過反饋機制調節(jié)電機的輸出。以IGBT為代表的功率器件是電驅控制器的核心器件之一,本期我們從IGBT建模的角度出發(fā),給大家展示電機控制器完整的EMC仿真流程。
IGBT模塊的3D建模
IGBT模塊的引線電感、分布電容等寄生參數(shù),工作時會產生較高頻率的 di/dt 和 dv/dt,容易產生高頻的EMI干擾。因此在EMC仿真時,對IGBT模塊進行精細的3D建模是非常有必要的。對于寄生參數(shù)的提取,CST提供了兩種方法。第一種方法通過CST低頻工作室的Partial_RLC求解器計算獲得;第二種方法通過CST微波工作室高頻求解器計算提取。
IGBT實物
IGBT 3D模型
在3D模型上添加離散端口
本文介紹的是第二種方法,具體設置如下。首先在CST的微波工作室創(chuàng)建3D模型,模塊一共分為6層,從上到下分別為:銅層、硅片、DBC上銅層、絕緣層、DBC下銅層、基板,它們的材質分別為銅、硅、銅、氮化鋁、銅、銅基板;接下來在三極管和二極管焊盤的位置設置離散端口,用于在電路中添加器件的spice模型。
MCU模塊的3D建模
MCU內部電路分為控制板和驅動板,對于EMC仿真來說,驅動板是建模的重點。在本案例中,我們對驅動板做了簡化處理,主要保留了IGBT模塊、DC母線電容、以及EMI濾波電路。
CE測試環(huán)境的3D建模
EMC仿真不能光考慮PCB,必須和實際測試場景保持一致,創(chuàng)建結構、cable、電機、LISN等3D模型。如下圖所示,建模中參考了CISPR25標準的場景布置要求。
搭建外圍電路、設置電機驅動信號
在3D模型創(chuàng)建完畢之后,切換到CST的DS工作室,搭建MOS管、二極管、電容、電阻、電感等器件,以及電機、LISN的等效電路模型。
接下來是非常關鍵的一步,就是設置電機的驅動信號。CST2023版本對PWM Generator信號發(fā)生器做了升級,詳細的解釋大家可以參考公眾號“CST電磁兼容性仿真”里的帖子:CST電磁兼容性仿真---SVPWM七段式
利用IDEM對3D仿真結果進行處理
在開始場路協(xié)同仿真之前,首先要對3D部分進行S參數(shù)計算,接下來用IDEM對S參數(shù)結果進行預處理。這里要給大家強調一下,IDEM在系統(tǒng)級EMC中,是必不可少的的一個工具,如果不使用的話,電路仿真容易出現(xiàn)結果異常。IDEM詳細的應用介紹,小伙伴們可以參考仿真實例131:IDEM在電源EMC仿真中的應用 。
進行CST場路協(xié)同仿真
電機控制器仿真的時間建議設置20ms以上,確保電路進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。如果想要監(jiān)控3D里面的場強分布,別忘了勾上Combine Results。
仿真結果分析
在看頻域結果之前,我們先通過一些關鍵位置的信號,可以判斷出仿真結果是否正確,這是進行EMC頻域仿真的前提。例如:輸入電壓、輸入電流、Vgs、Vds、Phase電壓、phase電流波形等,只有與測試結果一致,才說明仿真模型是準確的。
上管和下管的Vds電壓波形
電機Phase電壓波形
電機Phase電流波形
在確保時域波形正確后,接下來是頻域的結果分析,通過CST2023版本的新功能EMI Receiver功能,可以方便的得到頻域的結果,并且可以調用行業(yè)標準的限值進行判斷。從仿真結果來看,在0.5-6MHz這個頻段,CE的結果超過了CISPR25 class3的限值要求。
我們還可以通過3D結果中的場強分布和表面電流分別,來分析噪聲路徑,這是3D仿真和電路仿真相比的巨大優(yōu)勢之一。
0.1MHz的表面電流分布
1MHz的表面電流分布
0.1MHz的磁場分布
下一期,我們繼續(xù)給大家展示如何通過仿真的辦法,設計出EMI濾波電路,來解決CE超標的問題。