Type B型IC-CPD中漏電流檢測元件的EMC問題的考慮

隨著電動汽車的普及,電動汽車充電的安全規范也越來越嚴格,眾所周知,電動汽車充電一共有四種模式, 模式一由于不能提供有效的保護已經被明令禁止;模式二是在模式一基礎上,在充電纜線上配備一個保護盒(IC-CPD),產生故障電流時可以進行顯示、保護;模式三即以交流充電樁的方式充電;模式四即以直流充電樁的方式充電。

以模式二為例,為了保證充電過程的安全,很多整車廠尤其是國外車廠和國內合資車廠,都要求能夠對直流6mA的漏電進行保護,依據標準IEC 62752-2016。傳統的漏電檢測技術無法實現直流6mA的檢測,MAGTRON公司的RCMU系列漏電傳感器能夠滿足這一要求,并能檢測到其他各種可能產生的復雜波形漏電(Type B型漏電)。

圖1 電動汽車充電四種模式

同時,電動汽車模式二充電的纜上控制保護器(IC-CPD)屬于交流慢充,可以利用低谷電價時段充電,IC-CPD主要是滿足在不適合安裝充電樁的車庫以及作為一種備用充電方式,原則上每輛電動汽車乘用車都需要配備一臺,使用場景不像充電樁那樣是固定的,可能是在車庫里,也可能是有插座的任何地方,所以它面對的電磁環境會更加復雜,需要保證它良好的電磁兼容性(EMC)。

而漏電流傳感器作為IC-CPD內最重要的實現漏電保護功能的關鍵性元器件,對充電過程中人體安全防護起著至關重要的作用,它的EMC問題需要著重考量。

根據IEC 62752-2016標準對于EMC的要求,EMC測試標準依據IEC 61543《Residual current-operated protective device(RCDs) for household and similar use-Electromagnetic compatibility》。即家用和類似用途剩余電流保護裝置的電磁兼容性標準。

圖2 IEC 62752-2016中關于EMC的測試要求

IEC 61543規定的標準電磁環境是指與低壓公共電網或類似線路連接的設備中發生的環境條件,主要包括低頻電磁現象、高頻電磁現象和靜電放電。低頻電磁現象包括諧波、諧間波、信號電壓、電壓幅值變化、電壓不平衡、電源頻率變化和感應低頻電壓交流電網中的直流分量輻射磁場;高頻電磁現象包括傳到振蕩電壓或電流ns級的單向瞬變傳導(脈沖群)、ms級和us級的單向瞬變傳導和瞬變振蕩電流高頻輻射現象;靜電放電針對低濕度時可能存在的靜電放電材料。

IEC 61543對剩余電流保護器的的電磁兼容性試驗主要包括兩個方面,即電磁發射(EMI)和電磁抗擾度(EMS)試驗。IC-CPD作為被動保護部件,一般內部沒有高頻振蕩器,不會對外發射輻射,所以一般不做EMI試驗。所以需要著重考慮EMS的問題,我們都知道,傳感器是低電平電子設備,處理的是較微弱信號,漏電流傳感器電源線穿過傳感器,盡管有了充分的電氣隔離,但是由于尺寸小,PCB和電源線距離很近,干擾極易耦合到B型漏電流傳感器中,在復雜電磁環境下,外界極小的電磁干擾都有可能對輸出帶來極大誤差,甚至錯誤結果。

IC-CPD EMC試驗中的射頻輻射電磁場抗擾度試驗是產品認證測試過程中比較頭疼的問題,工程師在不斷優化PCB設計的同時,也要選用抗擾度更優秀的元器件,這就對漏電流傳感器電磁場抗擾度提出了更高的要求。

IEC 61543對應的國家標準IDT版本為GB 18499《家用和類似用途的剩余電流動作保護器(RCD) 電磁兼容性》,等同采用。下圖是GB 18499中關于輻射電磁場的試驗要求。

圖3 GB18499中關于輻射電磁場的試驗要求

圖4 GB/T 17626.3-2003中5.1內容

?GB/T 17626.3-2003《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》中規定了3種試驗等級,分別對應1V/m、3V/m、10V/m場強(GB/T 17626-2016新增第四個等級,對應場強30V/m),80MHz~1GHz的頻率范圍。剩余電流動作保護器對應等級2,試驗場強3V/m。

通過對MAGTRON公司的RCMU系列漏電電流傳感器進行測試,其實際電磁輻射抗擾度在垂直10V/m場強,80M~1GHz輻射頻率中輸出依然能夠保持穩定,不會影響它的檢測。

圖5 RCMU系列漏電流傳感器電磁輻射試驗

IEC 62752 實際上是一個Type B型IC-CPD的基礎標準,它把IC-CPD作為汽車外的部件來考慮,所以對于它的EMC要求相對來說還是比較低的。我們一般認為3V/m場強是商用級產品的要求,10V/m是工業級產品要求,車規級要求達100V/m以上,不同整車廠的要求也不同,大致在100V/m到140V/m之間。實際上我們在和整車廠的合作中發現,IC-CPD作為電動乘用車的必配部件,它的責任主體是整車廠,所以盡管IC-CPD不屬于汽車的一部分,車廠依然會以車規級要求IC-CPD,而MAGTRON公司的RCMU漏電流傳感器在某整車廠的IC-CPD整機試驗中,通過了140V/m的考驗!

Magtron基于iFluxgate技術的SoC芯片整體方案,為電動汽車充電B型漏電保護提供安全可靠的元器件。

【參考文獻】

[1] IEC 62752-2016 In-cable control and protection device for mode 2 charging of electric road vehicles(IC-CPD)

[2] IEC 61543-1995 Residual current-operated protective device(RCDs) for household and similar use-Electromagnetic compatibility

[3] GB/T 17626.3-2003 電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗

[4] GB 18499 家用和類似用途的剩余電流動作保護器(RCD) 電磁兼容性

Magtron是All Programamble PGA Sensor、磁電傳感SoC的全球領先企業,致力于實現新一代更智能的、高功率密度和差異化的磁電傳感系統方案。在整個行業向工業物聯網和傳感智能化的大趨勢推動下,Magtron的創新技術Quadcore,RCMU,iShunt等創新技術使得磁電傳感,特別是電流傳感器應用既高度集成易用,同時實現高功率密度化,也首次實現傳感器高速軟件化。

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