楼氏洞察｜克服汽车电子应用中的电磁干扰（EMI）问题

来源:Knowles楼氏电容发布时间:2023-06-252093浏览

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近年来，随着各国政府不断推出各项举措以推动燃油经济性层面的改善，各大汽车厂商也开始积极寻求新的市场机会。在全球范围内，针对电动汽车（EV）的需求正呈爆炸式增长，也越来越为主流市场所接受。

随着电动汽车产量的增加，新的难题也出现了，如应用中的电磁干扰（EMI）问题。电动汽车采用高功率电子器件来操作电动引擎，产生大量低频电磁干扰。干扰是电子应用中的一个常见问题，但在电动车的应用中，由于安全、效率和性能都依赖于电子装置，因此严重的EMI可能会导致诸多隐患。

图1：虽然混合动力汽车（HEV）率先问世，但纯电动车（EV）以锐不可当之势迅速流行起来。资料来源: 运输统计局 [https://www.bts.gov/content/gasoline-hybrid-and-electric-vehicle-sales]

从电动汽车的构造来看，EMI主要有以下来源（图2）：

• 功率转换器是电力驱动系统内EMI的主要来源。该系统需要用到高速开关器件，如传统的绝缘栅双极型晶体管（IGBT），在2-20kHz的频率下工作。快速IGBT和碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）可在更高频率下工作。

• 电动机在高功率水平下工作，造成电磁辐射（EME），并通过阻抗为EMI提供路径，阻抗随频率而变化。

• 牵引电池和互连器件中的电流成为电场和磁场（EMF）的排放源，为EMI创造了路径。

• 屏蔽和非屏蔽的电缆在电动汽车的子系统之间承载高水平的电流，导致更强的磁场。由于布线空间有限，高压和低压电缆被安置在邻近位置，造成它们之间的EMI。

• 电池充电器和无线充电设施是主要的外部电磁干扰源。连接到无线充电器会产生一个强磁场，将电力传输到电动汽车上。

图2：电动汽车中的EMI来源资料来源: 电路摘要 [https://images.app.goo.gl/MLXLpKE8yNjDyxeE7]

宽带隙半导体怎么样？

宽带隙(WBG)半导体，如SiC和氮化镓(GaN)，具备高功率和高效率，但随着开关频率的增加，会产生EMI影响。基于SiC的器件可容纳较小的无源EMI滤波器，但EMI往往集中在高频范围内。无源元件在高频下的非理想性能表现对滤波器的设计带来了挑战。必要时，调整滤波器方案以减少电感/电容值和滤波器尺寸是减少EPC和等效串联电感（ESL）的另一种手段。值得注意的是在设计中还有许多其他方法来顺应这一趋势(1)。

(1)[https://www.osti.gov/biblio/1399420]

电动汽车中的EMI电容器

在电动汽车应用中，滤波电容器，也被称为EMI滤波器，通常用作输入和输出电容器。它们的作用是消除线路上的噪声和其他不需要的信号。在系统的高压交流电（AC）侧，电容器通常提供EMI滤波，而在子系统的直流电（DC）侧，它们的作用是平滑交流电的纹波并滤除噪声。

EMI滤波器有多种类型，可根据具体应用需求来加以选择。例如，针对高可靠性的应用，您可能需要用到安规认证(2)的X级和Y级电容器。X级（线对线）电容器被设计成短路失效，因此当过压情况发生时，EMI滤波器的失效会促使过流保护装置（OCPD）打开，防止发生电击危险。Y级电容器（线对地）也被设计为在失去地线连接的情况下失效打开。失效可能产生噪声，但不会造成致命风险。

(2)[https://www.knowlescapacitors.com/Products/Capacitors/AEC-Q200/Safety-Cap]

高压电动车子系统的可靠性和安全性需要接受高度审查，X级和Y级多层陶瓷电容器（MLCC）(3)符合UL、TÜV、CSA、VDE和其他国际安全规范，是应用的理想选择。X类和Y类电容器常见的是陶瓷介质或塑料薄膜RFI/EMI抑制电容器，但由于一些电动车子系统有高温和小尺寸的要求，MLCC是更为理想之选，在恶劣的操作条件下不会融化。

(3)[https://blog.knowlescapacitors.com/blog/looking-closer-at-filter-capacitors-in-electric-vehicles]

楼氏电容（KPD）新近开发制造的增强型MLCC系列，具备高性能和安规认证，是汽车电子应用的理想之选。系列产品为表贴式，符合国际UL60384-14和EN60384-14规范，可在AC-DC电源应用中代替引脚类薄膜电容。系列产品还符合IEC-60384-14标准规定的Y2/X1、X1和X2等级要求；在这些子等级中，我们现可提供四个独立的MLCC产品系列(4)。

(4)[https://blog.knowlescapacitors.com/blog/meet-safety-requirements-at-higher-voltages]

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楼氏电容事业部（Knowles Precision Devices）是楼氏集团旗下专业制造各类陶瓷电容器及微波元器件的业务单元，其产品广泛应用于航空航天、医疗、电动汽车、高端工业和通信5G市场。楼氏电容研发并制造了满足高可靠性、高耐温、高电压及高频率需求的电容类产品以应对不同的市场需求。