CST電動汽車EMC仿真（二）- 電機(jī)控制器MCU的EMC仿真

來源：CST仿真專家之路更新時間：2024-06-26 閱讀：

作者 | Zhou Ming

電機(jī)控制器（也稱為電機(jī)驅(qū)動器或者逆變器），是用來控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心組件，它可以控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率等重要參數(shù)。在電機(jī)運(yùn)行中，電機(jī)控制器還可以通過傳感器監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過反饋機(jī)制調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出。以IGBT為代表的功率器件是電驅(qū)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(jī)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(chǎn)生較高頻率的 di/dt 和 dv/dt，容易產(chǎn)生高頻的EMI干擾。因此在EMC仿真時，對IGBT模塊進(jìn)行精細(xì)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(shè)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(zhì)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(shè)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(nèi)部電路分為控制板和驅(qū)動板，對于EMC仿真來說，驅(qū)動板是建模的重點(diǎn)。在本案例中，我們對驅(qū)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(jié)構(gòu)、cable、電機(jī)、LISN等3D模型。如下圖所示，建模中參考了CISPR25標(biāo)準(zhǔn)的場景布置要求。

搭建外圍電路、設(shè)置電機(jī)驅(qū)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(jī)、LISN的等效電路模型。

接下來是非常關(guān)鍵的一步，就是設(shè)置電機(jī)的驅(qū)動信號。CST2023版本對PWM Generator信號發(fā)生器做了升級，詳細(xì)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(jié)果進(jìn)行處理

在開始場路協(xié)同仿真之前，首先要對3D部分進(jìn)行S參數(shù)計算，接下來用IDEM對S參數(shù)結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理。這里要給大家強(qiáng)調(diào)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(jié)果異常。IDEM詳細(xì)的應(yīng)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(yīng)用。

進(jìn)行CST場路協(xié)同仿真

電機(jī)控制器仿真的時間建議設(shè)置20ms以上，確保電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。如果想要監(jiān)控3D里面的場強(qiáng)分布，別忘了勾上Combine Results。

仿真結(jié)果分析

在看頻域結(jié)果之前，我們先通過一些關(guān)鍵位置的信號，可以判斷出仿真結(jié)果是否正確，這是進(jìn)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(jié)果一致，才說明仿真模型是準(zhǔn)確的。

上管和下管的Vds電壓波形

電機(jī)Phase電壓波形

電機(jī)Phase電流波形

在確保時域波形正確后，接下來是頻域的結(jié)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(jié)果，并且可以調(diào)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的限值進(jìn)行判斷。從仿真結(jié)果來看，在0.5-6MHz這個頻段，CE的結(jié)果超過了CISPR25 class3的限值要求。