CST電動(dòng)汽車(chē)EMC仿真（二）- 電機(jī)控制器MCU的EMC仿真

來(lái)源：CST仿真專(zhuān)家之路更新時(shí)間：2024-06-26 閱讀：

作者 | Zhou Ming

電機(jī)控制器（也稱(chēng)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或者逆變器），是用來(lái)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心組件，它可以控制驅(qū)動(dòng)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(guò)傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)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(shí)會(huì)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(shí)，對(duì)IGBT模塊進(jìn)行精細(xì)的3D建模是非常有必要的。對(duì)于寄生參數(shù)的提取，CST提供了兩種方法。第一種方法通過(guò)CST低頻工作室的Partial_RLC求解器計(jì)算獲得；第二種方法通過(guò)CST微波工作室高頻求解器計(jì)算提取。

IGBT實(shí)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(lái)在三極管和二極管焊盤(pán)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(dòng)板，對(duì)于EMC仿真來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)板是建模的重點(diǎn)。在本案例中，我們對(duì)驅(qū)動(dòng)板做了簡(jiǎn)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(cè)試環(huán)境的3D建模

EMC仿真不能光考慮PCB，必須和實(shí)際測(cè)試場(chǎng)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(chǎng)景布置要求。

搭建外圍電路、設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)

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(lái)是非常關(guān)鍵的一步，就是設(shè)置電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。CST2023版本對(duì)PWM Generator信號(hào)發(fā)生器做了升級(jí)，詳細(xì)的解釋大家可以參考公眾號(hào)“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(duì)3D仿真結(jié)果進(jìn)行處理

在開(kāi)始場(chǎng)路協(xié)同仿真之前，首先要對(duì)3D部分進(jìn)行S參數(shù)計(jì)算，接下來(lái)用IDEM對(duì)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(jí)EMC中，是必不可少的的一個(gè)工具，如果不使用的話(huà)，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(shí)例131：IDEM在電源EMC仿真中的應(yīng)用。

進(jìn)行CST場(chǎng)路協(xié)同仿真

電機(jī)控制器仿真的時(shí)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(chǎng)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(guò)一些關(guān)鍵位置的信號(hào)，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(cè)試結(jié)果一致，才說(shuō)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(shí)域波形正確后，接下來(lái)是頻域的結(jié)果分析，通過(guò)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(lái)看，在0.5-6MHz這個(gè)頻段，CE的結(jié)果超過(guò)了CISPR25 class3的限值要求。