二极管箝位型三电平逆变器的电磁兼容研究.docx

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二极管箝位型三电平逆变器的电磁兼容研究

二极管箝位型三电平逆变器的电磁兼容研究

技术分类：

电源技术  来源：

电源技术应用／浙江大学李骏赵慧杰 发表时间：

2006-11-30

O前言

   中点箝位型（NeutralPointClamped）三电平逆变器由A．Nabae等人在1980年的IAS会议上提出。

这种拓扑结构拥有很多优点，比如：

   1）可用耐压较低的器件实现高压输出；

   2）与传统两电平逆变器相比，通过电平数的增加，改善了输出电压波形；

   3）dv口／df相对较小，从而改善了装置的EMI特性。

   因其优越的性能，在高压大功率场合得到了广泛的应用。

   在三电平逆变器系统中，承受高压大电流的功率器件的开关过程会产生过高的dv／dt及di／dt,而且系统内部强电信号与弱电信号共存，模拟电路与数字电路共存，接地与PCB布线不当，以及辅助电源的不稳均会在系统内部产生干扰；另外系统供电电网与周围电磁环境的影响也会对系统产生电磁干扰，导致系统无法正常工作，因此做好EMC设计至关重要。

   本文给出了基于DSP与CPLD数字控制系统的二极管箝位三电平逆变器的系统设计方案，重点分析了系统设计中的电磁兼容问题，并针对这些问题，分别从硬件和软件两方面提出了有效的解决方案。

1三电平逆变器系统与工作原理

   图1给出了三电平逆变器系统框图，系统由以下几部分组成：

主功率电路、基于DSPTMS320LF2407和CPLDXC95144XL的数字控制系统、采样电路、驱动保护电路、辅助电源和PC机。

其中，二极管箝位三电平逆变器如图2所示．

点击看原图

   每相桥臂采用一对1200V，100A的IGBT模块串联，模块内置续流二极管，采用2200V，100A的二极管模块进行箝位。

采样电路对逆变器输出电压、电流和直流母线电压采样，利用DSP内部自带的A／D转换器进行模数转换，并利用软件控制DSP输出PWM信号，在CPLD内部做逻辑和死区处理。

驱动保护电路接收来自CPLD的12路PWM信号来驱动IGBT，并在IGBT短路或过流时，将FAULT保护信号送至DSP，封锁PWM信号。

   假设图l中直流侧两个电容等容量，且电压相等，均为Vdr／2。

则A相桥臂输出电压（以0点为参考点）与开关状态的关系如表1所列，（其中1表示开关接通，O表示开关断开），可见每相均可以输出+Vdr／2，O，一Vdr／2三个电平。

2系统抗干扰原理与方法

   要构成电磁干扰需要满足3个条件：

干扰源、噪声耦合途径、被干扰设备。

耦合途径包括传导耦合和辐射耦合两种。

前面已经指出由于三电平逆变器系统的复杂结构，会受到来自系统外部和系统内部自身的干扰，下面主要讨论系统中的传导耦合，并从硬件和软件两个方面给出有效抗干扰措施。

2.l硬件抗干扰措施

2．1．1电源输入端口的抗干扰措施

   供电电网输入端口处的干扰主要是传导干扰，包括两方面：

一是电网上的干扰通过电源线引入设备，这种干扰可以是来自供电网其他设备产生的传导性干扰，也可以是空间的电磁波在电源线上产生的共模干扰；另一方面主要是由于整流电路本身产生的谐波干扰和电磁噪声，以及由它供电的后级电路产生的电磁噪声以传导耦合形式导入电网，对同一电网内的其他设备产生干扰。

   辅助电源均采用高频开关电源，由于采用了PWM技术，所以其开关器件工作在高频通断状态，这种高频的快速通断过程便会产生高频噪声，并在负载上直接传导电磁噪声（共模、差模两种噪声传导方式），严重影响数字控制系统正常工作。

   EMI滤波器可以抑制因瞬态噪声或高频噪声措成的干扰．是解决传导干扰十分有效的方法。

   通常所用的EMI滤波器结构如图3所示，其中C1。

C2是差模电容L1，L2是共模电感，C3、C4、C5、C6是共模电容。

   但是，这种EMI滤波器结构自身存在着明显的不足：

由于两个差模电容C1，C2自身有寄生电感，所以两个寄生电感之间会产生耦合，而且它们又会与共模电感产生耦合。

这样，在高频范围会严重影响EMI滤波器的性能。

为此，我们采用了改进的结构，如图4所示。

   在改进的EMI滤波器结构中，两个差模电容采用X型连接，这样做的好处是可以大大减小甚至消除电容中寄生电感引起的耦合，极大地改善了EMI滤波器的高频性能。

21．2主功率电路抗干扰措施

   1）采用BUSSBAP结构设计直流母线采用BUSBAR结构设计，即采用铜板或铜条代替导线，使直流母线平行导体化，这样可以降低配线电感，减小因其产生的干扰。

同时，对抑制IGBT通断时的浪涌申压和dv／df也有效果。

   2）缓冲吸收电路IGBT通断时产生的dv／df及di／df会对系统的其他部分造成干扰，在大功率应用场合，由于电压、电流等级较高，干扰会更加严重，必须根据实际要求选择吸收电路形式并调整元件参数。

   为此采用了图5所示的结构简单的缓冲电路，它充分利用三电平结构的特性，靠外部电容CS1,CS2的充放电来钳制内部IGBT上的电压，使之不突变。

Cov1和Cov2吸收主回路杂散电感上的能量，从而钳制过电压，Cov1和Cov2要尽量靠近桥臂侧。

吸收电阻月s1及Rs2采用无感电阻，吸收二极管采用快恢复二极管。

缓冲电路元件参数选择可按式

（1）、式

（2）、式（3）选取。

式中：

Lp为母线上的杂散电感；

   IL为负载电流；

   △V为吸收电压峰值；

   f为IGBT开关频率。

   3）其他抗干扰措施在逆变器输出端连接低通滤波器；IGBT的G、E端子之间接上小容量电容器，降低dv／df及di／dt。

2．1．3数字控制系统抗干扰措施

   本文采用基于DSP和CPLD的数字控制系统，为提高控制系统的准确性和可靠性，从以下几个方面进行电磁兼容设计，提高控制系统的抗干扰能力。

   1）辅助电源抗干扰措施数字控制系统输入电源为5V，通过LMll17T转换成的3．3V为DSP和CPLD供电。

直流电源的故障主要有输出电压不稳，欠压或掉电。

直流电压不稳实质是反复的欠压过程，会直接对数字控制系统产生干扰。

为此采用了MC34064电源监视IC电路监视5V直流电源输出电压，图6给出了电路接法。

   当电压低于4.59V时，监视电路将产生持续的复位信号使DSP和CPLD处于复位状态，避免其不正常操作带来的事故。

当电源输出恢复正常时（>4．6lV），电路经过一个规定的延迟时间后撤消复位信号，保证数字控制系统正常工作，传播延时时间由CDLY确定。

   2）光纤抗干扰技术数字控制系统输出的PWM信号，在传输过程中会受到长线传输干扰的影响。

其原理如图7所示。

干扰幅度可由式（4）确定。

式中：

Ur为干扰源；

   Ui为干扰电压幅度；

   Zs为等效信号源阻抗；

   Zo为等效负载阻抗；

   Zi为等效干扰源阻抗。

   PWM信号在传输过程中，若传输线较长，强电脉冲会通过传输线的分布电容和分布电感对PWM信号产生干扰。

如果信号受到干扰或延时太大，则主电路中IGBT就无法正确地开通或关断，有可能会造成短路而榻坏器件。

   为此，本文在数字控制系统与驱动电路之间采用光纤连接。

图8给出了采用光纤接收和发射的连接方式。

点击看原图

   光纤连接的发射和接收之间没有直接的电气连接，能够精确传送PWM控制信号，不仅解决了功率电路和控制电路之间的强弱电隔离，抗电磁干扰问题，而且能够实现驱动信号的远距离传送，延时小。

   3）PCB抗干扰措施

（1）采用电源平面和地平面由于数字控制系统是高频和高速的数字脉冲电路，所以它们的信号接地系统必须具有极低的地阻抗，电路中所有元件接到参考地的引线电感尽可能小，另外为了减小电源瞬态噪声电压，要减小电源线的引线电感。

所以，本文的数字控制系统采用四层板结构，中间两层为单独的电源层和地层，可以大大减小因公共阻抗耦合产生的传导干扰。

（2）去耦滤波抗干扰配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，具体做法是：

在电源输入端要跨接电解电容；在数字集成电路芯片的VCC和GND之间用高频低电感的陶瓷电容进行去耦滤波，去耦电容供电回路的面积越小越好，越接近芯片越好，去耦电容引线越短越好。

（3）数字与模拟电路的处理数字控制系统中既有模拟电路又有数字电路，要把它们尽量分开，并且将模拟电路的地和数字电路的地分开，最后再接到一起，在共接点选用合适的电感，将数字电路中的最强干扰隔离掉，接法如图9所示。

   另外，集成数字电路芯片没有用到的管脚不要浮空，应该接到GND或VCC，防止不必要的开关转换和噪声产生。

2.1．4驱动保护电路抗干扰措施

   本文采用Powerx公司的集成驱动模块M57962L，在抗干扰方面，它有以下优点：

   1）内部具有高速光耦，将驱动脉冲信号与驱动电路内部隔离，这样控制电路与驱动电路实现了电气隔离，防止因电气耦合产生的干扰；

   2）栅极驱动采用双极性控制电压，使用负的栅极电压可以获得较高的抗干扰性，图lO是采用光纤传送的驱动电路示意图。

点击看原图

   此外，我们采用了以下抗干扰措施。

   1）将门极驱动电阻扩大到样本中记载的标准值的2～3倍，这样可以使交换时间变长，从而使IGBT的dv／dt及di／dt降低。

   2）为了抑制主功率电路对驱动电路的干扰，需要对驱动电路的元件合理布局，如图ll所示。

点击看原图

（1）S1和S3相邻，S2和S4相邻，两组之间保持适当的距离。

（2）驱动保护电路与IGBT模块之间选用阻抗高、抗共模干扰能力强的双绞线，引线尽可能短，以减小寄生电感，两线间互绞越密效果越好。

   3）每个lCBT触发电路均采用通过变压器隔离的相互独立的电源供电，以避免电磁噪声通过公共阻抗耦合对彼此产生干扰。

2.2软件抗干扰措施

   除了以上采用的硬件抗干扰措施外，充分利用软件抗干扰的能力能够最大程度地抑制干扰。

软件抗干扰主要包括以下两方面：

   1）消除模拟输入信号的噪声干扰；

   2）在数字控制系统受到干扰、程序跑飞时，使程序复位，能够重新正常工作针对上面两种情况，采取了以下抗干扰措施。

（1）数字滤波可以有效地消除模拟输入信号的噪声，从而抑制于扰。

常用方法包括限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波等。

（2）设置看门狗当DSP受到干扰引起程序乱飞，使程序进入“死循环”时，通过中断服务程序，使程序回到初始化的第一行。

   （3）软件陷阱DSPTMS320LF2407有多达64K的程序存储空间。

通常在使用时会有大量未用的空间。

在这些区域设置一段引导程序，当程序受到干扰跳到该区域时，引导程序将会强行指向专门对程序出错进行处理的程序段地址，从而使程序重新纳入正轨。

   （4）程序口令当程序受到干扰乱飞到非空白段的程序段时，可以采用程序口令技术。

具体思路是将程序模块化，每个模块（子程序）执行一个功能，且只有一个出口（RET），再通过一个模块ID寄存器，为每个子程序配置一个唯一的ID号码，每当子程序要返回（RET）之前，先将本子程序的ID号送入ID寄存器，返回到上级程序后，先判断lD寄存器中的ID号。

如果正确，则继续执行；如果不正确，则表示PC指针有可能已经跳错，这时使程序复位，回到初始化第一行。

   （5）软件冗余在编写程序时，尽可能多采用单字节指令。

另外，在程序关键地方以及RE