二极管箝位型三电平逆变器的电磁兼容研究

摘要：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。 关键词：三电平逆变器；电磁兼容；抗干扰 O 前言 中点箝位型(Neutral Point Clamped)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CPLD XC95144XL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． 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。 2 1．2 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。 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。 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。 (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RET、CALL、BCND、B等指令之前插入2条或3条NOP指令。这样，可以使因受到干扰而乱飞的程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。 (6)数据的保护和恢复在程序编写中，对于因为指令改变结果性质的数据，在每次改变前都尽可能地保护起来，必要时再恢复。 3 结语 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。将这些方法用于三电平逆变器系统中，能够有效地抑制电磁干扰，大大提高了系统的稳定性和可靠性。