二極管箝位型三電平逆變器的電磁兼容研究
關鍵詞:三電平逆變器;電磁兼容;抗干擾
O 前言
中點箝位型(Neutral Point Clamped)三電平逆變器由A.Nabae等人在1980年的IAS會議上提出。這種拓撲結構擁有很多優(yōu)點,比如:
1)可用耐壓較低的器件實現(xiàn)高壓輸出;
2)與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比,通過電平數(shù)的增加,改善了輸出電壓波形;
3)dv口/df相對較小,從而改善了裝置的EMI特性。
因其優(yōu)越的性能,在高壓大功率場合得到了廣泛的應用。
在三電平逆變器系統(tǒng)中,承受高壓大電流的功率器件的開關過程會產生過高的dv/dt及di/dt,而且系統(tǒng)內部強電信號與弱電信號共存,模擬電路與數(shù)字電路共存,接地與PCB布線不當,以及輔助電源的不穩(wěn)均會在系統(tǒng)內部產生干擾;另外系統(tǒng)供電電網(wǎng)與周圍電磁環(huán)境的影響也會對系統(tǒng)產生電磁干擾,導致系統(tǒng)無法正常工作,因此做好EMC設計至關重要。
本文給出了基于DSP與CPLD數(shù)字控制系統(tǒng)的二極管箝位三電平逆變器的系統(tǒng)設計方案,重點分析了系統(tǒng)設計中的電磁兼容問題,并針對這些問題,分別從硬件和軟件兩方面提出了有效的解決方案。
1 三電平逆變器系統(tǒng)與工作原理
圖1給出了三電平逆變器系統(tǒng)框圖,系統(tǒng)由以下幾部分組成:主功率電路、基于DSPTMS320LF2407和CPLD XC95144XL的數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣電路、驅動保護電路、輔助電源和PC機。其中,二極管箝位三電平逆變器如圖2所示.
每相橋臂采用一對1200V,100A的IGBT模塊串聯(lián),模塊內置續(xù)流二極管,采用2200V,100A的二極管模塊進行箝位。采樣電路對逆變器輸出電壓、電流和直流母線電壓采樣,利用DSP內部自帶的A/D轉換器進行模數(shù)轉換,并利用軟件控制DSP輸出PWM信號,在CPLD內部做邏輯和死區(qū)處理。驅動保護電路接收來自CPLD的12路PWM信號來驅動IGBT,并在IGBT短路或過流時,將FAULT保護信號送至DSP,封鎖PWM信號。
假設圖l中直流側兩個電容等容量,且電壓相等,均為Vdr/2。則A相橋臂輸出電壓(以0點為參考點)與開關狀態(tài)的關系如表1所列,(其中1表示開關接通,O表示開關斷開),可見每相均可以輸出+Vdr/2,O,一Vdr/2三個電平。
2 系統(tǒng)抗干擾原理與方法
要構成電磁干擾需要滿足3個條件:干擾源、噪聲耦合途徑、被干擾設備。耦合途徑包括傳導耦合和輻射耦合兩種。前面已經指出由于三電平逆變器系統(tǒng)的復雜結構,會受到來自系統(tǒng)外部和系統(tǒng)內部自身的干擾,下面主要討論系統(tǒng)中的傳導耦合,并從硬件和軟件兩個方面給出有效抗干擾措施。
2.l 硬件抗干擾措施
2.1.1 電源輸入端口的抗干擾措施
供電電網(wǎng)輸入端口處的干擾主要是傳導干擾,包括兩方面:一是電網(wǎng)上的干擾通過電源線引入設備,這種干擾可以是來自供電網(wǎng)其他設備產生的傳導性干擾,也可以是空間的電磁波在電源線上產生的共模干擾;另一方面主要是由于整流電路本身產生的諧波干擾和電磁噪聲,以及由它供電的后級電路產生的電磁噪聲以傳導耦合形式導入電網(wǎng),對同一電網(wǎng)內的其他設備產生干擾。
輔助電源均采用高頻開關電源,由于采用了PWM技術,所以其開關器件工作在高頻通斷狀態(tài),這種高頻的快速通斷過程便會產生高頻噪聲,并在負載上直接傳導電磁噪聲(共模、差模兩種噪聲傳導方式),嚴重影響數(shù)字控制系統(tǒng)正常工作。
EMI濾波器可以抑制因瞬態(tài)噪聲或高頻噪聲措成的干擾.是解決傳導干擾十分有效的方法。
通常所用的EMI濾波器結構如圖3所示,其中C1。C2是差模電容L1,L2是共模電感,C3、C4、C5、C6是共模電容。
但是,這種EMI濾波器結構自身存在著明顯的不足:由于兩個差模電容C1,C2自身有寄生電感,所以兩個寄生電感之間會產生耦合,而且它們又會與共模電感產生耦合。這樣,在高頻范圍會嚴重影響EMI濾波器的性能。為此,我們采用了改進的結構,如圖4所示。
在改進的EMI濾波器結構中,兩個差模電容采用X型連接,這樣做的好處是可以大大減小甚至消除電容中寄生電感引起的耦合,極大地改善了EMI濾波器的高頻性能。
2 1.2 主功率電路抗干擾措施
1)采用BUSSBAP結構設計 直流母線采用BUSBAR結構設計,即采用銅板或銅條代替導線,使直流母線平行導體化,這樣可以降低配線電感,減小因其產生的干擾。同時,對抑制IGBT通斷時的浪涌申壓和dv/df也有效果。
2)緩沖吸收電路 IGBT通斷時產生的dv/df及di/df會對系統(tǒng)的其他部分造成干擾,在大功率應用場合,由于電壓、電流等級較高,干擾會更加嚴重,必須根據(jù)實際要求選擇吸收電路形式并調整元件參數(shù)。
為此采用了圖5所示的結構簡單的緩沖電路,它充分利用三電平結構的特性,靠外部電容CS1,CS2的充放電來鉗制內部IGBT上的電壓,使之不突變。Cov1和Cov2吸收主回路雜散電感上的能量,從而鉗制過電壓,Cov1和Cov2要盡量靠近橋臂側。吸收電阻月s1及Rs2采用無感電阻,吸收二極管采用快恢復二極管。緩沖電路元件參數(shù)選擇可按式(1)、式(2)、式(3)選取。
式中:Lp為母線上的雜散電感;
IL為負載電流;
△V為吸收電壓峰值;
f為IGBT開關頻率。
3)其他抗干擾措施在逆變器輸出端連接低通濾波器;IGBT的G、E端子之間接上小容量電容器,降低dv/df及di/dt。
2.1.3 數(shù)字控制系統(tǒng)抗干擾措施
本文采用基于DSP和CPLD的數(shù)字控制系統(tǒng),為提高控制系統(tǒng)的準確性和可靠性,從以下幾個方面進行電磁兼容設計,提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。
1)輔助電源抗干擾措施數(shù)字控制系統(tǒng)輸入電源為5V,通過LMll17T轉換成的3.3V為DSP和CPLD供電。直流電源的故障主要有輸出電壓不穩(wěn),欠壓或掉電。直流電壓不穩(wěn)實質是反復的欠壓過程,會直接對數(shù)字控制系統(tǒng)產生干擾。為此采用了MC34064電源監(jiān)視IC電路監(jiān)視5V直流電源輸出電壓,圖6給出了電路接法。
當電壓低于4.59V時,監(jiān)視電路將產生持續(xù)的復位信號使DSP和CPLD處于復位狀態(tài),避免其不正常操作帶來的事故。當電源輸出恢復正常時(>4.6lV),電路經過一個規(guī)定的延遲時間后撤消復位信號,保證數(shù)字控制系統(tǒng)正常工作,傳播延時時間由CDLY確定。
2)光纖抗干擾技術數(shù)字控制系統(tǒng)輸出的PWM信號,在傳輸過程中會受到長線傳輸干擾的影響。其原理如圖7所示。干擾幅度可由式(4)確定。
式中:Ur為干擾源;
Ui為干擾電壓幅度;
Zs為等效信號源阻抗;
Zo為等效負載阻抗;
Zi為等效干擾源阻抗。
PWM信號在傳輸過程中,若傳輸線較長,強電脈沖會通過傳輸線的分布電容和分布電感對PWM信號產生干擾。如果信號受到干擾或延時太大,則主電路中IGBT就無法正確地開通或關斷,有可能會造成短路而榻壞器件。
為此,本文在數(shù)字控制系統(tǒng)與驅動電路之間采用光纖連接。圖8給出了采用光纖接收和發(fā)射的連接方式。
光纖連接的發(fā)射和接收之間沒有直接的電氣連接,能夠精確傳送PWM控制信號,不僅解決了功率電路和控制電路之間的強弱電隔離,抗電磁干擾問題,而且能夠實現(xiàn)驅動信號的遠距離傳送,延時小。
3)PCB抗干擾措施
(1)采用電源平面和地平面 由于數(shù)字控制系統(tǒng)是高頻和高速的數(shù)字脈沖電路,所以它們的信號接地系統(tǒng)必須具有極低的地阻抗,電路中所有元件接到參考地的引線電感盡可能小,另外為了減小電源瞬態(tài)噪聲電壓,要減小電源線的引線電感。所以,本文的數(shù)字控制系統(tǒng)采用四層板結構,中間兩層為單獨的電源層和地層,可以大大減小因公共阻抗耦合產生的傳導干擾。
(2)去耦濾波抗干擾配置去耦電容可以抑制因負載變化而產生的噪聲,具體做法是:在電源輸入端要跨接電解電容;在數(shù)字集成電路芯片的VCC和GND之間用高頻低電感的陶瓷電容進行去耦濾波,去耦電容供電回路的面積越小越好,越接近芯片越好,去耦電容引線越短越好。
(3)數(shù)字與模擬電路的處理數(shù)字控制系統(tǒng)中既有模擬電路又有數(shù)字電路,要把它們盡量分開,并且將模擬電路的地和數(shù)字電路的地分開,最后再接到一起,在共接點選用合適的電感,將數(shù)字電路中的最強干擾隔離掉,接法如圖9所示。
另外,集成數(shù)字電路芯片沒有用到的管腳不要浮空,應該接到GND或VCC,防止不必要的開關轉換和噪聲產生。
2.1.4 驅動保護電路抗干擾措施
本文采用Powerx公司的集成驅動模塊M57962L,在抗干擾方面,它有以下優(yōu)點:
1)內部具有高速光耦,將驅動脈沖信號與驅動電路內部隔離,這樣控制電路與驅動電路實現(xiàn)了電氣隔離,防止因電氣耦合產生的干擾;
2)柵極驅動采用雙極性控制電壓,使用負的柵極電壓可以獲得較高的抗干擾性,圖lO是采用光纖傳送的驅動電路示意圖。
此外,我們采用了以下抗干擾措施。
1)將門極驅動電阻擴大到樣本中記載的標準值的2~3倍,這樣可以使交換時間變長,從而使IGBT的dv/dt及di/dt降低。
2)為了抑制主功率電路對驅動電路的干擾,需要對驅動電路的元件合理布局,如圖ll所示。
(1)S1和S3相鄰,S2和S4相鄰,兩組之間保持適當?shù)木嚯x。
(2)驅動保護電路與IGBT模塊之間選用阻抗高、抗共模干擾能力強的雙絞線,引線盡可能短,以減小寄生電感,兩線間互絞越密效果越好。
3)每個lCBT觸發(fā)電路均采用通過變壓器隔離的相互獨立的電源供電,以避免電磁噪聲通過公共阻抗耦合對彼此產生干擾。
2.2 軟件抗干擾措施
除了以上采用的硬件抗干擾措施外,充分利用軟件抗干擾的能力能夠最大程度地抑制干擾。軟件抗干擾主要包括以下兩方面:
1)消除模擬輸入信號的噪聲干擾;
2)在數(shù)字控制系統(tǒng)受到干擾、程序跑飛時,使程序復位,能夠重新正常工作針對上面兩種情況,采取了以下抗干擾措施。
(1)數(shù)字濾波可以有效地消除模擬輸入信號的噪聲,從而抑制于擾。常用方法包括限幅濾波、中值濾波、算術平均濾波、加權平均濾波等。
(2)設置看門狗 當DSP受到干擾引起程序亂飛,使程序進入“死循環(huán)”時,通過中斷服務程序,使程序回到初始化的第一行。
(3)軟件陷阱DSPTMS320LF2407有多達64K的程序存儲空間。通常在使用時會有大量未用的空間。在這些區(qū)域設置一段引導程序,當程序受到干擾跳到該區(qū)域時,引導程序將會強行指向專門對程序出錯進行處理的程序段地址,從而使程序重新納入正軌。
(4)程序口令當程序受到干擾亂飛到非空白段的程序段時,可以采用程序口令技術。具體思路是將程序模塊化,每個模塊(子程序)執(zhí)行一個功能,且只有一個出口(RET),再通過一個模塊ID寄存器,為每個子程序配置一個唯一的ID號碼,每當子程序要返回(RET)之前,先將本子程序的ID號送入ID寄存器,返回到上級程序后,先判斷l(xiāng)D寄存器中的ID號。如果正確,則繼續(xù)執(zhí)行;如果不正確,則表示PC指針有可能已經跳錯,這時使程序復位,回到初始化第一行。
(5)軟件冗余在編寫程序時,盡可能多采用單字節(jié)指令。另外,在程序關鍵地方以及RET、CALL、BCND、B等指令之前插入2條或3條NOP指令。這樣,可以使因受到干擾而亂飛的程序納入正軌,確保這些重要指令的執(zhí)行。
(6)數(shù)據(jù)的保護和恢復在程序編寫中,對于因為指令改變結果性質的數(shù)據(jù),在每次改變前都盡可能地保護起來,必要時再恢復。
3 結語
本文給出了基于DSP與CPLD數(shù)字控制系統(tǒng)的二極管箝位三電平逆變器的系統(tǒng)設計方案,重點分析了系統(tǒng)設計中的電磁兼容問題,并針對這些問題,分別從硬件和軟件兩方面提出了有效的解決方案。將這些方法用于三電平逆變器系統(tǒng)中,能夠有效地抑制電磁干擾,大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
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