中大容量三电平逆变电源研制中的抗干扰技术.docx

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中大容量三电平逆变电源研制中的抗干扰技术

中大容量三电平逆变电源研制中的抗干扰技术

1引言

多电平逆变器能够提供电压较高、容量较大的逆变电源，在很多场合已经得到了广泛应用。

在实现高电压、大容量的同时，其性能也比普通两电平逆变器有了很大的提高，如输出波形好，每个开关器件承受的电压应力较小，开关损耗低等，因而成为人们研究的热点课题。

但是多电平逆变器的应用中，不可避免地存在着一些干扰问题。

这些干扰不同程度地影响了系统的正常工作，使系统无法可靠运行，严重时甚至导致系统瘫痪。

因此，emi和emc成为多电平逆变器研制中必须认真对待的问题。

三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路。

本文以在三电平移车逆变电源的研制实践中总结的经验，浅谈了中大容量多电平逆变器的干扰问题和抗干扰措施。

2三电平移车逆变电源及其干扰原理分析

移车逆变电源是为提供电力机车库内调试或段内检修时移车所需电源而设计的装置,特点是要求能适合低频、低速及大电流工况下让交流传动机车或动车慢速平稳地运行。

其输入电压为380v、50hz工频交流电源，直流侧电压可达530v，整个装机容量达160kva。

电源主电路结构采用二极管篏位式，如图1所示。

图1三电平逆变器主电路

其中，

是1200v、400a的igbt模块，

～

是反并联续流二极管，

、

为篏位二极管。

以x（x=a，b，c）相为例说明其工作原理为:

和

导通时x相输出正电平p;

和

导通时，x相输出负电平n;

和

导通时，x相输出零电平0。

因此，逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压有3种取值的可能，这也就是三电平逆变器名称的由来。

三电平逆变器要求主管

和vx4不能同时导通，并且

和

，

和

的控制脉冲是互反的，这也就是要求开关状态p和0之间、0和n之间可以相互过渡。

p和n之间不能直接相互过渡，必须通过中间状态0来过渡。

逆变器的干扰源可以分为两种:

外部干扰和内部干扰。

外部干扰是指系统所处的外部空间环境对逆变器产生的干扰，既包括逆变器工作时现场周围的供电和用电设备对逆变器产生的影响，也包括雷击等自然现象给逆变器带来的危害。

显然，避免外部干扰的主要措施是优化逆变器的工作环境。

内部干扰是指系统内部包括电源、电路等的不合理工作引起的干扰。

三电平逆变器内部系统中，强电信号与弱电信号共存，模拟电路与数字电路共存，ttl电平与cmos电平共存，因此各种信号间的电磁干扰不可避免。

此外，系统电源不稳定，接地系统不完善，系统布线不合理等也会引起内部干扰。

内部干扰是系统的固有干扰，也是主要干扰，因此本文研究的重点在于内部干扰的分析与抑制。

3微机控制系统中的干扰及抑制措施

在本项目中，由8097单片机产生6路触发脉冲，经过控制与分配电路，再经驱动电路产生12路驱动信号，控制主电路中igbt管的开断。

若驱动信号在传输过程中受到干扰，延时太大，甚至发生畸变，则主电路中igbt便不能正确、安全地开通与关断，这样很可能造成器件损耗乃至击穿，后果是不堪设想的。

长线干扰和电源不稳引起的干扰是主要的干扰源。

3.1长线传输的抗干扰技术

长线传输干扰是指信号在长线传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响而产生的干扰。

长线干扰的等效原理图如图2所示。

干扰幅度可以由下式得出:

图2长线干扰等效示意图

其中

—干扰源;

—干扰电压幅度;

—分别为等效信号源阻抗、等效负载阻抗和等效干扰源阻抗。

一般说来，长线干扰表现在两个方面:

一是信号延时较大，二是高速度变化的信号在长线中传输时，会出现波反射的现象。

有效抑制长线干扰的办法是正确选择和敷设信号线。

这包括:

（1）信号线最好选用阻抗高、抗共模干扰能力强的双绞线。

信号以电流形式而不是电压形式传输。

（2）不同性质、不同电压等级的信号线分槽敷设。

实现强弱信号分开布线、交直流信号分开布线、高低压信号分开布线。

并尽量避免平行布线，若布线必须交叉，则交叉角度应成90°。

（3）屏蔽信号传输线路，以有效抑制空间电磁场对传输信号的干扰。

屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。

（4）采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可消除和抑制长线传输中的波反射。

3.2电源的抗干扰技术

作为在工业现场使用的微机系统，对输入为380v、50hz工频交流电的电网有着较高的要求:

（1）电网的稳定度不应超过限定值，否则应有报警信号，以便及时处理;

（2）要求电网的供电电压谐波较少、干扰较小，否则会造成微机错停;

（3）供电电网不能无规则停电,以避免对微机系统造成损坏。

实际上，由于在电源的输入侧有整流电路，必将产生非线性引起的谐波，这种在电源输入侧产生的高次谐波干扰将使电源输入电压、电流产生畸变。

为有效抑制强动力电源对微机控制系统的干扰，可在电源接入处采用滤波技术和变压器隔离技术。

电容滤波是很简单也很经济的滤波技术，图3所示为移车电源的整流及其电容滤波电路。

为用于抑制谐波的整流电源滤波器，

为直流侧滤波电容。

的选择对电路性能影响较大。

选择合适的滤波电容，不仅能取得较好的滤波效果，还能减小体积、降低成本。

一般说来，电容量与负载电流和电压波纹的大小有关。

负载电流越大，电容越大;波纹越小，电容越大。

隔离变压器也是普遍使用的抗扰器件，由于它只能传输交流信号，不能传输直流信号，因此能较好地抑制电源系统对地线的低频干扰。

图3整流及其电容滤波电路

三电平微机控制系统中的直流电源有三种:

单片微型机接口芯片用5v直流电源、模拟信号检测用12v直流电源以及直流继电器用24v直流电源。

直流电源的稳定与否直接关系着检测信号的精确度和控制信号的稳定性。

为防止直流电源不稳引起干扰，应当选用稳压性能较好的直流稳压电源电路。

此外，对逆变器和控制系统都需要使用的直流电源，要求对两个系统分别供电，以避免逆变器通过直流电源对控制系统产生传导干扰。

在本项目中选用了5v、12v和24v三种开关电源实现电压的分离供电，以避免相互串扰。

这种开关电源用脉宽调制方式调整直流电压，调整管以开关形式工作，功耗较低。

电源接地技术也是多电平逆变器研制过程中必须考虑的抗干扰技术。

一般讲来，接地的目的有三种:

强电系统接地的目的主要是为了保障工作人员的安全，防止触电。

进行逆变器工作试验时将逆变器的外壳接大地，就是为了使操作人员触摸外壳时不会触电。

在脉冲信号控制与分配电路中，模拟电路的接地是为了工作的需要，提供一个电位参考点。

第三种接地的目的完全是为了防止系统干扰而采取的措施。

从屏蔽保护抗干扰的观点选择接地点时应考虑如下的原则:

（1）根据不同的干扰源采用不同的接地措施，不能认为只要系统有一点接地就可以消除一切干扰。

实际应用中，交流电源与直流电源不能共地，模拟电路电源与数字电路电源也不能共地。

（2）接地点要选择适当，选择不当会导致在消除一种干扰的同时引入新的干扰。

（3）选择接地点时尽量考虑抗干扰效果的兼容性，即通过一种接地措施消除几种干扰。

（4）接地点要接触良好，接地电阻尽量小，以保证系统的稳定工作。

另外，接地技术可以分为多点接地和一点接地。

多点接地是指装置中存在多个接地点，每个接地端都直接与它最近的接地点相连。

一点接地是指在整个电路或装置中，只定义一个物理点为接地点。

4驱动电路中的抗干扰技术

驱动电路接收控制系统输出的微弱门电平信号，经处理后控制主电路中开关器件的通断。

在移车逆变电源研制中采用的驱动器是由瑞士concept公司生产的scale驱动器2sd315a-25，其控制电路如图4所示。

图4scale驱动电路图（半桥模式）

scale驱动器在抗干扰方面有如下的优点:

（1）具有双极性控制电压（典型值为±15v）的栅极驱动，使得任何规格的igbt模块都能可靠地运行。

由于通过使用负的栅极电压而获得的高抗干扰性，许多功率mosfet或者igbt模块能够并联使用。

（2）包含有用于所有通道的小型的隔离变压器，提供了突出的电气隔离特性。

（3）具有可靠的变压器原理:

选择使用脉冲变压器，所使用的脉冲变压器的mtbf（故障隔离时间）优于光耦以及光导纤维的连接。

（4）通过驱动器回路的延迟时间大约为300～350ns，正负边缘的延迟是对称的。

各个驱动器之间在延迟时间上几乎没有差异，和并联电路一样，它是确保无偏移问题而运行的一个重要因素。

鉴于上述优点，scale驱动器用于大功率部分和控制部分之间，至少具有100kv/μs的极高的共模抑制比。

为达到更好的抗干扰效果，采取了以下的优化措施:

（1）采用光电耦合器把驱动脉冲输入信号和驱动电路内部信号隔离，这样驱动电路与计算机部分的信号传送就实现了电气隔离，有效防止了电气耦合产生的干扰。

使用光电耦合器实现电气隔离具有电路简洁、可靠性高的优点。

在使用光电耦合器时，应注意其负载电阻对电路延时的影响。

（2）驱动电路的印刷电路板（pcb）的合理设计与布局。

合理设计pcb及元件的布局可以抑制高压变频器中平均电流和瞬间电流对驱动电路的干扰。

驱动电路的pcb布局如图5所示。

图5驱动电路pcb布局示意图

脉冲互反的驱动电路应相邻，如t1、t3和t2、t4分别相邻，并且两组之间应保持较远的距离。

pcb与igbt模块之间的引线应尽可能短，以将驱动器输出级和igbt之间的寄生电感降至最低，并且应注意g、e两根引线应相互绞合，尽量不与c极引线缠绕。

必须正确放置驱动板，以防止功率电路和控制电路之间的电感耦合。

设计pcb时，应使电源线与接地线相距较远，以避免出现电流环路。

此外，为了抑制板间的相互串扰，可在pcb的电源与地端之间接一个50μf左右的电解电容。

5吸收网络与电压电流瞬变干扰的抑制

igbt通断时产生的dv/dt、di/dt会对系统其他部分造成干扰，因此必须根据实际要求认真选择吸收电路的形式并仔细调整元件参数。

在移车逆变电源的研制中采用了一种改进的三角形吸收电路。

图6给出了一相的电路图。

图6三电平逆变器中的三角形吸收电路（一相）

其中电容

、

为篏位电容，

为吸收电容，在应用中取

，

=

=c。

吸收电阻

采用无感电阻，吸收二极管采用快速恢复二极管。

电路中吸收电容

的参数选择可依据下式:

式中

—母线上的杂散电感;

—负载电流;

δv—吸收电压峰值。

从吸收电压的损耗和igbt关断时过电压角度考虑，希望篏位电容c尽可能大，吸收电容

尽可能小些。

实际设计中，通常c为

的6～10倍。

吸收电阻

采用无感电阻，一般取阻容放电时间常数为主管igbt开关周期的1/6～1/3。

吸收二极管采用快速恢复二极管，以提高吸收电路响应过程。

在设计三角形吸收电路时，不仅要求对吸收电容、电阻、二极管进行参数选择，还应考虑吸收电路中各元件的布局和连线，以最大程度地抑制igbt通断时电压电流瞬间变化引起的干扰。

6其它干扰及其抑制

抗干扰技术是一项实践性很强的技术，需要在不断的试验中发现并消除干扰。

多电平逆变器研制中，常见的干扰还有以下几种:

（1）接触不良引起的干扰

接触不良引起的干扰可能是由于开关或接触元件本身存在问题，也可能是由于导线或元器件固定不牢，使得系统受到外力冲击和震动时元器件产生位移，导致接插件松动，引起接触不良。

因此，除在电路设计时选用质量和接触较好的接插件，还应特别注意系统中电子元器件、导线及电缆的稳妥固定。

（2）负载共振引起的干扰

在高压逆变器带大功率电机负载运行时，电机转矩中的脉动可能造成电机振动与机械振动产生共振，对设备造成损害。

其抑制措施是找到负载固有的共振频率，利用逆变器频率跳跃功能避开共振频率点。

以上是从硬件方面考虑抗干扰，实际中可以采用软硬件结合的方法提高整个系统的抗干扰性能。

信号的采集和传输过程是容易受到干扰的环节，通过软件提高信号采集的真实性，即不含有干扰信号，则系统的抗干扰性能也会收到事半功倍的效果。

此外，还可以在软件中设置必要的检查和处理子程序，检查系统中的干扰情况。

7结束语

本研究室为青岛四方车辆厂研制了一台容量为160kva的igbt移车逆变电源，并在试验站进行了大功率电机拖动试验，运行良好，证明在研制过程中采用的方法应用于中大容量三电平逆变电源中，能有效抑制强电磁干扰，从而提高了系统的稳定性和可靠性。

参考文献

[1]王锦标,方崇智.过程计算机控制.北京:

清华大学出版社,1992

[2]李卓成.igbt高压逆变器的抗干扰原理与设计.电力电子技术,2002

作者简介

龚熙国（1979-）男硕士研究生现就读于同济大学电子与信息工程学院，研究方向为电力电子与电气传动。