作者 | Zhou Ming
电机控制器（也称为电机驱动器或者逆变器），是用来控制电机运转的核心组件，它可以控制驱动电机的转速、转矩、输出功率等重要参数。在电机运行中，电机控制器还可以通过传感器监测电机的运行状态，并通过反馈机制调节电机的输出。以IGBT为代表的功率器件是电驱控制器的核心器件之一，本期我们从IGBT建模的角度出发，给大家展示电机控制器完整的EMC仿真流程。
IGBT模块的3D建模
IGBT模块的引线电感、分布电容等寄生参数，工作时会产生较高频率的 di/dt 和 dv/dt，容易产生高频的EMI干扰。因此在EMC仿真时，对IGBT模块进行精细的3D建模是非常有必要的。对于寄生参数的提取，CST提供了两种方法。第一种方法通过CST低频工作室的Partial_RLC求解器计算获得；第二种方法通过CST微波工作室高频求解器计算提取。
IGBT实物
IGBT 3D模型
在3D模型上添加离散端口
本文介绍的是第二种方法，具体设置如下。首先在CST的微波工作室创建3D模型，模块一共分为6层，从上到下分别为：铜层、硅片、DBC上铜层、绝缘层、DBC下铜层、基板，它们的材质分别为铜、硅、铜、氮化铝、铜、铜基板；接下来在三极管和二极管焊盘的位置设置离散端口，用于在电路中添加器件的spice模型。
MCU模块的3D建模
MCU内部电路分为控制板和驱动板，对于EMC仿真来说，驱动板是建模的重点。在本案例中，我们对驱动板做了简化处理，主要保留了IGBT模块、DC母线电容、以及EMI滤波电路。
CE测试环境的3D建模
EMC仿真不能光考虑PCB，必须和实际测试场景保持一致，创建结构、cable、电机、LISN等3D模型。如下图所示，建模中参考了CISPR25标准的场景布置要求。
搭建外围电路、设置电机驱动信号
在3D模型创建完毕之后，切换到CST的DS工作室，搭建MOS管、二极管、电容、电阻、电感等器件，以及电机、LISN的等效电路模型。
接下来是非常关键的一步，就是设置电机的驱动信号。CST2023版本对PWM Generator信号发生器做了升级，详细的解释大家可以参考公众号“CST电磁兼容性仿真”里的帖子：CST电磁兼容性仿真---SVPWM七段式
利用IDEM对3D仿真结果进行处理
在开始场路协同仿真之前，首先要对3D部分进行S参数计算，接下来用IDEM对S参数结果进行预处理。这里要给大家强调一下，IDEM在系统级EMC中，是必不可少的的一个工具，如果不使用的话，电路仿真容易出现结果异常。IDEM详细的应用介绍，小伙伴们可以参考仿真实例131：IDEM在电源EMC仿真中的应用 。
进行CST场路协同仿真
电机控制器仿真的时间建议设置20ms以上，确保电路进入稳定工作状态。如果想要监控3D里面的场强分布，别忘了勾上Combine Results。
仿真结果分析
在看频域结果之前，我们先通过一些关键位置的信号，可以判断出仿真结果是否正确，这是进行EMC频域仿真的前提。例如：输入电压、输入电流、Vgs、Vds、Phase电压、phase电流波形等，只有与测试结果一致，才说明仿真模型是准确的。
上管和下管的Vds电压波形
电机Phase电压波形
电机Phase电流波形
在确保时域波形正确后，接下来是频域的结果分析，通过CST2023版本的新功能EMI Receiver功能，可以方便的得到频域的结果，并且可以调用行业标准的限值进行判断。从仿真结果来看，在0.5-6MHz这个频段，CE的结果超过了CISPR25 class3的限值要求。
我们还可以通过3D结果中的场强分布和表面电流分别，来分析噪声路径，这是3D仿真和电路仿真相比的巨大优势之一。
0.1MHz的表面电流分布
1MHz的表面电流分布
0.1MHz的磁场分布
下一期，我们继续给大家展示如何通过仿真的办法，设计出EMI滤波电路，来解决CE超标的问题。
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