三電平逆變器IGBT驅(qū)動電路電磁兼容研究

0 引言
近年來，二極管箝位型三電平逆變器在高壓大功率場合的應(yīng)用得到廣泛的研究。與普通兩電平逆變器相比，三電平逆變器改善了輸出電壓波形，降低了系統(tǒng)的電磁干擾，并且可用耐壓較低的器件實現(xiàn)高壓輸出。電路拓撲如圖1所示。

三電平逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要有不控整流電路、三電平逆變器、濾波器以及驅(qū)動電路、采樣電路和DSP數(shù)字控制電路等。設(shè)計時使用了6個帶有兩路驅(qū)動信號輸出的IGBT驅(qū)動電路。
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看到，IGBT的驅(qū)動電路連接著數(shù)字控制電路與逆變器主功率電路，是逆變器能否正常工作的關(guān)鍵所在。由于驅(qū)動電路靠近IGBT器件，而且其中強電信號與弱電信號共存，可能受到的電磁干擾更為嚴重，因而IGBT驅(qū)動電路的EMC設(shè)計也是影響著整個逆變器系統(tǒng)工作性能的關(guān)鍵問題。本文將分析三電平逆變器系統(tǒng)中會對IGBT驅(qū)動電路產(chǎn)生影響的主要干擾源及耦合途徑，并重點討論IGBT驅(qū)動電路的EMC設(shè)計。

1 干擾源及耦合途徑
對IGBT驅(qū)動電路進行EMC設(shè)計，必須首先考慮三電平逆變器整個系統(tǒng)可能存在的干擾源及干擾噪聲的耦合途徑。
1.1 功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)噪聲
由圖2所示的逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看到，電網(wǎng)電壓經(jīng)過三相不控整流電路后輸入三電平逆變器，經(jīng)過逆變電路和濾波電路后為負載供電。不控整流電路中的功率二極管及逆變器電路中器件(IGBT)在開關(guān)過程中均存在較高的di/dt，可能通過線路或元器件的寄生電感引起瞬態(tài)電磁噪聲。由于器件的功率容量很大，造成的開關(guān)噪聲是整個系統(tǒng)中最主要的干擾源，對IGBT驅(qū)動電路工作的穩(wěn)定性有著重要影響。
1.1.l 功率二極管的開關(guān)噪聲
功率二極管開通時，電流迅速增加，電壓也會出現(xiàn)一個快速的上沖，會導(dǎo)致一個寬帶的電磁噪聲；二極管在關(guān)斷時會有一個反向恢復(fù)電流脈沖，由于其幅度及di/dt都很大，在電路的寄生電感作用下會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，造成較強的瞬態(tài)電磁噪聲。由于功率二極管應(yīng)用在三相不控整流電路中，輸入電壓較高，開關(guān)過程中的電磁噪聲對系統(tǒng)其他部分的影響會更為嚴重。
IGBT驅(qū)動電路及DSP控制電路中的輔助電源是高頻開關(guān)電源，其中使用了較多快恢復(fù)二極管構(gòu)成整流電路，而快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間通常在納秒量級，因此它們通過引線電感造成的瞬態(tài)電磁噪聲也是不可忽視的。
1.1.2 IGBT的開關(guān)噪聲
IGBT屬于多子與少子的混合器件，開關(guān)速度較快，所以開關(guān)過程中其電流變化造成的瞬態(tài)電磁噪聲會更為嚴重。三電平逆變器的主功率電路要用到12只IGBT器件，并且工作在高壓、高頻、大電流的場合，開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁噪聲也是整個系統(tǒng)主要的干擾源。
1.2 整流電路造成的諧波干擾
電網(wǎng)電壓經(jīng)過不控整流電路后輸人逆變器部分，由于功率二極管的開通與關(guān)斷，三相不控整流電路在工作過程中將會產(chǎn)生較大的諧波干擾及電磁噪聲，上一節(jié)已經(jīng)對此進行了分析；另外，不控整流電路會產(chǎn)生諧波干擾，由于整流電路與電網(wǎng)直接相連，它本身及后級電路產(chǎn)生的干擾將會通過整流電路以傳導(dǎo)形式引人電網(wǎng)，對連接在同一電網(wǎng)的其它設(shè)備造成干擾。
1.3 電位浮動產(chǎn)生的干擾
逆變器在工作過程中，IGBT的發(fā)射極電位是浮動的，而且不同開關(guān)管電位相差很大，以圖1電路A相為例說明：當上橋臂IGBT管Sa1和Sa2開通時，A相輸出為+Vdc，IGBT的發(fā)射極電位也是+Vdc；同理，下橋臂IGBTSa3和Sa4開通時，IGBT的發(fā)射極電位為0，中間兩管Sa2和Sa3開通時，發(fā)射極電位為+Vdc/2。
IGBT門極驅(qū)動信號的參考電位取在IGBT的發(fā)射級E端，這便要求驅(qū)動電路要與功率電路直接相連，從而驅(qū)動電路的電源電位也會隨IGBT的電位變化而變化。在逆變器工作過程中，這種頻繁的大幅度電位變化將會對驅(qū)動電路產(chǎn)生較大的電磁干擾，尤其是同一塊驅(qū)動板上的兩路驅(qū)動信號之間會互相干擾，影響電路的正常工作。
1.4 電磁噪聲的耦合途徑
電磁噪聲的耦合途徑有傳導(dǎo)和輻射兩種方式，在本逆變器系統(tǒng)中主要是傳導(dǎo)耦合方式，即電磁噪聲的能量在電路中以電壓或電流的形式，通過導(dǎo)線及其他元件(如變壓器)耦合至被干擾電路。本文主要考慮會對IGBT驅(qū)動電路造成影響的噪聲傳導(dǎo)耦合。
1.4.1 直接傳導(dǎo)耦合
直接傳導(dǎo)耦合是本系統(tǒng)中電磁噪聲最主要的耦合方式。由于電路導(dǎo)線中存在著漏電阻及寄生電感、寄生電容等，在進行EMC設(shè)計時必須考慮導(dǎo)線的等效阻抗造成的影響。
在本系統(tǒng)中IGBT器件工作在高頻狀態(tài)下，通過導(dǎo)線寄生電感產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓可能會對IGBT造成損壞，也會對驅(qū)動電路產(chǎn)生嚴重影響。另外，IGBT驅(qū)動電路的輔助電源使用了高頻開關(guān)電源，電源產(chǎn)生的電磁噪聲也會通過直接傳導(dǎo)耦合的方式影響IGBT的驅(qū)動信號。
1.4.2 公共阻抗耦合
三電平逆變器是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，主功率電路、IGBT驅(qū)動電路、控制電路及輔助電源之間都可能存在著公共阻抗，干擾源產(chǎn)生的電磁噪聲會通過公共地阻抗耦合或公共電源阻抗耦合的方式影響被干擾電路。
就IGBT驅(qū)動電路而言，本系統(tǒng)使用了6塊兩路輸出的驅(qū)動電路，每塊驅(qū)動電路板上都有板載輔助電源。如果輔助電源的隔離、接地等方面設(shè)計不當，電磁噪聲便可能通過輔助電源公共阻抗傳導(dǎo)；各驅(qū)動電路之間，尤其是同一塊驅(qū)動板上兩路的干擾信號會相互影響，破壞電路正常的驅(qū)動信號。

2 驅(qū)動電路的EMC設(shè)計
IGBT驅(qū)動電路采用集成驅(qū)動模塊M57962L，在抗干擾方面，它有以下優(yōu)點：
(1)內(nèi)部具有高速光耦，將脈沖控制信號與驅(qū)動電路內(nèi)部隔離，這樣數(shù)字控制電路與驅(qū)動電路實現(xiàn)了電氣隔離，可以防止因電氣耦合產(chǎn)生的干擾；
(2)柵極驅(qū)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3是IGBT驅(qū)動電路示意圖，驅(qū)動電路的控制、反饋信號均采用光纖傳輸，HFBR-1522/2522為光信號發(fā)送、接受器；Von/Voff為板載輔助電源。本文將從以下幾方面進一步分析驅(qū)動電路的電磁兼容設(shè)計。

2.1 信號的光纖傳輸
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(chǎn)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(guān)斷，有可能會造成短路而損壞器件，信號傳輸?shù)目垢蓴_設(shè)計是lGBT驅(qū)動電路所要考慮的重點問題。
在本系統(tǒng)中，數(shù)字控制系統(tǒng)與驅(qū)動電路之間使用光纖傳輸信號，可以有效解決PWM信號傳輸?shù)目垢蓴_問題。光纖傳輸信號的原理如圖4所示。

可以看到，光纖連接的發(fā)射和接收電路之間通過光信號傳輸，沒有直接的電氣連接，能夠精確傳送PWM控制信號。光纖傳輸信號不僅解決了功率電路和控制電路之間的強弱電隔離，使電磁干擾降到了最低，而且能夠減小延時，實現(xiàn)信號的遠距離傳送。
2.2 輔助電源的抗干擾設(shè)計
每一塊驅(qū)動電路板上需要輔助電源提供兩種不同的電平信號，即驅(qū)動芯片M57962L所需的+15.8V/-8.2V，分別為所要驅(qū)動的IGBT提供正負偏壓信號，另外還需為驅(qū)動板上的其它輔助電路提供+5V電源，如光纖接收/發(fā)送器、鎖存器、光耦合器等。輔助電源沒計使用24V直流輸入，經(jīng)過半橋逆變電路模塊后輸出高頻方波電壓，再通過變壓器隔離、升壓、濾波后輸出所需的電壓信號。
由本文1.1和l.4節(jié)的分析可以看到，驅(qū)動電路的板載輔助電源不僅會產(chǎn)生干擾信號，而且設(shè)計不當會成為電磁噪聲的主要耦合途徑，影響驅(qū)動信號的準確性，從而導(dǎo)致整個逆變器系統(tǒng)的故障。因此，輔助電源的抗干擾設(shè)計也是IGBT驅(qū)動電路的重要問題。針對上文的分析，板載輔助電源的設(shè)計主要考慮以下幾點。
2.2.1 隔離電源
驅(qū)動電路要接于逆變器的主功率部分，如圖3所示，其中G點為IGBT門極驅(qū)動信號輸入端；E點為IGBT發(fā)射極，與輔助電源的地電位相連，為驅(qū)動信號提供參考電位。本文l.3節(jié)已經(jīng)分析過，由于逆變器在工作過程中IGBT的發(fā)射極電位(即E點電位)是浮動的，如果不使用隔離電源的話，E點電位的大幅度變化必然會通過輔助電源回路引起電源輸入端的電位變化，導(dǎo)致電源的損壞。因此，在高壓、大功率的應(yīng)用場合中，驅(qū)動電路中輔助電源的隔離是尤為重要的。在本系統(tǒng)驅(qū)動電路的輔助電源沒計中，24V直流輸入電壓經(jīng)過半橋逆變電路后通過變壓器進行隔離，可以解決這一問題。
2.2.2 多路獨立電源
如前所述，驅(qū)動電路板上需要為驅(qū)動芯片M57962L和其它電路提供兩種不同的電平信號。為驅(qū)動芯片供電的電源，將與逆變器的主功率電路相接；而另一路5V電源，為驅(qū)動電路的弱電部分如鎖存器、門電路等供電。為了防止強弱信號互相干擾，這兩路信號必須由兩路獨立的隔離電源分別提供，而不能使用相同的參考點作為接地點。
另外，每塊驅(qū)動板沒計有兩路驅(qū)動信號輸出，這兩路信號的驅(qū)動芯片也必須使用不同的兩路隔離電源分別供電。如前文所分析，驅(qū)動電路電位會隨IGBT發(fā)射極電位而變化，開通與關(guān)斷過程中發(fā)射極電壓的變化有千伏以上；不同的lGBT管電位差也會有幾百到上千伏，驅(qū)動電路的電源必須使用隔離電源分別提供。因此，每塊驅(qū)動電路板上將會有三路獨立的隔離電源，分別為兩個IGBT驅(qū)動芯片及其他部分的電路提供相應(yīng)的電壓信號。
2.2.3 使用共模扼流圈
輔助電源的穩(wěn)定性對驅(qū)動電路信號的準確性的影響也至關(guān)重要。在本系統(tǒng)中，各路輔助電源的參考電位會有大幅度的頻繁變化，雖然各路電源均為獨立的隔離電源，但考慮到寄生參數(shù)的影響，會造成相互之間的電磁干擾。此外，開關(guān)管產(chǎn)生的高頻共模噪聲也會對輔助電源產(chǎn)生影響。
在設(shè)計中，每路隔離電源中都加人了共模扼流圈，即圖5中的T。共模扼流圈對高頻共模噪聲信號而言為高阻抗性質(zhì)，從而可有效抑制共模噪聲對電路的影響，保證電源輸出電壓的穩(wěn)定性。

2.2.4 濾波電路
除使用共模扼流圈之外，輔助電源還采取了其它的濾波措施。如圖5所示，在整流電路及共模扼流圈后端，分別加入了100μF的電解電容和0.lμF的瓷片電容，可有效吸收整流電路產(chǎn)生的高次諧波及尖峰電壓。電路的后端接有三端穩(wěn)壓電路模塊，保證輸出電壓的穩(wěn)定性；在穩(wěn)壓電路后端也并聯(lián)了電解電容與瓷片電容進行濾波，減小輸出電壓紋波，保證輔助電源的高質(zhì)量輸出。
另外，在靠近各芯片電源輸入端的位置，都分別并聯(lián)了O.1μF瓷片電容作為去耦電容，抑制高頻耦合噪聲的干擾。
2.3 瞬態(tài)噪聲抑制
在IGBT的開關(guān)過程中，可能會產(chǎn)生很高的di/dt噪聲，在門極寄生電感上引起Ldi/dt電壓，造成門極的浪涌電壓。這種瞬態(tài)電壓可能會遠遠大于IGBT所能承受的門極驅(qū)動電壓，對器件造成損壞。
為了控制門極浪涌電壓，通常將門極電壓箝位在門極電阻的一端。在沒計中，本電路利用一對擊穿電壓為17V的齊納二極管背靠背接于IGBT的門極端和發(fā)射極端，如圖3所示；連接位置盡可能地接近IGBT的門極和發(fā)射極，以達到良好的抑制效果。
驅(qū)動芯片的腳1為過壓檢測端，連接與IGBT的集電極C，當檢測到C端電壓過高時對電路進行保護。腳1也可能受到瞬態(tài)噪聲干擾影響導(dǎo)致電壓過高損壞芯片，同樣，可以使用擊穿電壓為30V的齊納二極管進行保護。
2.4 PCB的抗干擾設(shè)計
PCB的布局、布線也會對驅(qū)動電路的抗干擾性有很大影響，對于本驅(qū)動電路而言，要注意以下幾點。
2.4.1 電路布局
每塊驅(qū)動板上的兩路驅(qū)動信號用于驅(qū)動同一橋臂的兩個IGBT，相互之間有著很大的電位差，這便要求這兩路信號之間要有足夠的絕緣等級。另外，由于驅(qū)動電路中同時存在著強電信號和弱電信號，在PCB布局時應(yīng)注意不同信號相互分開，并要有一定距離，以避免強弱信號相互耦合，干擾增加。
綜合考慮了驅(qū)動板的尺寸、抗干擾性等因素后，PCR布局如圖6所示：左半部分主要為弱電部分，有各種數(shù)字電路等；右半部分為兩路驅(qū)動電路A、B及各自的輔助電源，與逆變器的功率電路相連?？梢钥吹剑?qū)動電路部分與數(shù)字部分有一定的距離，驅(qū)動電路A、B之間也有足夠的距離，以保證達到電路所要求的絕緣等級。

2.4.2 布線問題
PCB在布線時也應(yīng)考慮抗干擾設(shè)計。對本驅(qū)動電路而言，首先應(yīng)考慮電源線和地線要有足夠的寬度以適應(yīng)較大的電流流過，可能的地方可以鋪銅以增強抗干擾性；所有的連接線尤其是高頻信號線(如控制信號輸入端)應(yīng)盡可能的短，以減少奇生電感；此外應(yīng)注意布線時盡量減少環(huán)路面積，以抑制電源的輻射干擾。
2.5 驅(qū)動波形
IGBT正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的驅(qū)動波形如圖7所示，其中CHl為輸入控制信號波形，CH2為輸出驅(qū)動信號波形。當控制信號為低電平時，驅(qū)動電路產(chǎn)生15V左右的電壓信號，可以有效地驅(qū)動IGBT的門極使其開通；當驅(qū)動信號為高電平時，驅(qū)動電路產(chǎn)生8V左右的負電壓，可以使IGBT有效關(guān)斷。

驅(qū)動電路的過流保護功能如圖8所示，當控制信號為低電平時，驅(qū)動電路輸出高電平使IGBT開通；而電路過流時，驅(qū)動電路檢測到IGBT的Vce過壓，通過M57962L內(nèi)部電路將門極電壓軟關(guān)斷，避免電壓過沖造成器件的損壞。這樣可以在電路發(fā)生過流時關(guān)斷開關(guān)器件，有效保護整個逆變器系統(tǒng)。

3 結(jié)語
本文分析了三電平逆變器系統(tǒng)中存在的主要干擾源及耦合途徑，并重點分析了這些干擾對于用于逆變器中的IGBT驅(qū)動電路會造成的影響；通過這些分析，提出了IGBT驅(qū)動電路在進行EMC設(shè)計時應(yīng)注意的一些問題，具體討論了光纖傳輸信號、輔助電源設(shè)計、瞬態(tài)噪聲抑制以及PCB的抗干擾設(shè)計等問題，采取相應(yīng)的措施之后驅(qū)動電路的抗干擾性能有了較大的改善。