三電平逆變器IGBT驅動(dòng)電路電磁兼容研究

0 引言
近年來(lái)，二極管箝位型三電平逆變器在高壓大功率場(chǎng)合的應用得到廣泛的研究。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，降低了系統的電磁干擾，并且可用耐壓較低的器件實(shí)現高壓輸出。電路拓撲如圖1所示。

三電平逆變器系統結構如圖2所示，主要有不控整流電路、三電平逆變器、濾波器以及驅動(dòng)電路、采樣電路和DSP數字控制電路等。設計時(shí)使用了6個(gè)帶有兩路驅動(dòng)信號輸出的IGBT驅動(dòng)電路。
從系統結構圖可以看到，IGBT的驅動(dòng)電路連接著(zhù)數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。由于驅動(dòng)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驅動(dòng)電路的EMC設計也是影響著(zhù)整個(gè)逆變器系統工作性能的關(guān)鍵問(wèn)題。本文將分析三電平逆變器系統中會(huì )對IGBT驅動(dòng)電路產(chǎn)生影響的主要干擾源及耦合途徑，并重點(diǎn)討論IGBT驅動(dòng)電路的EMC設計。

1 干擾源及耦合途徑
對IGBT驅動(dòng)電路進(jìn)行EMC設計，必須首先考慮三電平逆變器整個(gè)系統可能存在的干擾源及干擾噪聲的耦合途徑。
1.1 功率半導體器件的開(kāi)關(guān)噪聲
由圖2所示的逆變器系統結構圖可以看到，電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)三相不控整流電路后輸入三電平逆變器，經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)過(guò)程中均存在較高的di/dt，可能通過(guò)線(xiàn)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(kāi)關(guān)噪聲是整個(gè)系統中最主要的干擾源，對IGBT驅動(dòng)電路工作的穩定性有著(zhù)重要影響。
1.1.l 功率二極管的開(kāi)關(guān)噪聲
功率二極管開(kāi)通時(shí)，電流迅速增加，電壓也會(huì )出現一個(gè)快速的上沖，會(huì )導致一個(gè)寬帶的電磁噪聲；二極管在關(guān)斷時(shí)會(huì )有一個(gè)反向恢復電流脈沖，由于其幅度及di/dt都很大，在電路的寄生電感作用下會(huì )產(chǎn)生很高的感應電壓，造成較強的瞬態(tài)電磁噪聲。由于功率二極管應用在三相不控整流電路中，輸入電壓較高，開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電磁噪聲對系統其他部分的影響會(huì )更為嚴重。
IGBT驅動(dòng)電路及DSP控制電路中的輔助電源是高頻開(kāi)關(guān)電源，其中使用了較多快恢復二極管構成整流電路，而快恢復二極管的反向恢復時(shí)間通常在納秒量級，因此它們通過(guò)引線(xiàn)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(kāi)關(guān)噪聲
IGBT屬于多子與少子的混合器件，開(kāi)關(guān)速度較快，所以開(kāi)關(guān)過(guò)程中其電流變化造成的瞬態(tài)電磁噪聲會(huì )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(chǎng)合，開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電磁噪聲也是整個(gè)系統主要的干擾源。
1.2 整流電路造成的諧波干擾
電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)不控整流電路后輸人逆變器部分，由于功率二極管的開(kāi)通與關(guān)斷，三相不控整流電路在工作過(guò)程中將會(huì )產(chǎn)生較大的諧波干擾及電磁噪聲，上一節已經(jīng)對此進(jìn)行了分析；另外，不控整流電路會(huì )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(huì )通過(guò)整流電路以傳導形式引人電網(wǎng)，對連接在同一電網(wǎng)的其它設備造成干擾。
1.3 電位浮動(dòng)產(chǎn)生的干擾
逆變器在工作過(guò)程中，IGBT的發(fā)射極電位是浮動(dòng)的，而且不同開(kāi)關(guān)管電位相差很大，以圖1電路A相為例說(shuō)明：當上橋臂IGBT管Sa1和Sa2開(kāi)通時(shí)，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(kāi)通時(shí)，IGBT的發(fā)射極電位為0，中間兩管Sa2和Sa3開(kāi)通時(shí)，發(fā)射極電位為+Vdc/2。
IGBT門(mén)極驅動(dòng)信號的參考電位取在IGBT的發(fā)射級E端，這便要求驅動(dòng)電路要與功率電路直接相連，從而驅動(dòng)電路的電源電位也會(huì )隨IGBT的電位變化而變化。在逆變器工作過(guò)程中，這種頻繁的大幅度電位變化將會(huì )對驅動(dòng)電路產(chǎn)生較大的電磁干擾，尤其是同一塊驅動(dòng)板上的兩路驅動(dòng)信號之間會(huì )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和輻射兩種方式，在本逆變器系統中主要是傳導耦合方式，即電磁噪聲的能量在電路中以電壓或電流的形式，通過(guò)導線(xiàn)及其他元件(如變壓器)耦合至被干擾電路。本文主要考慮會(huì )對IGBT驅動(dòng)電路造成影響的噪聲傳導耦合。
1.4.1 直接傳導耦合
直接傳導耦合是本系統中電磁噪聲最主要的耦合方式。由于電路導線(xiàn)中存在著(zhù)漏電阻及寄生電感、寄生電容等，在進(jìn)行EMC設計時(shí)必須考慮導線(xiàn)的等效阻抗造成的影響。
在本系統中IGBT器件工作在高頻狀態(tài)下，通過(guò)導線(xiàn)寄生電感產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓可能會(huì )對IGBT造成損壞，也會(huì )對驅動(dòng)電路產(chǎn)生嚴重影響。另外，IGBT驅動(dòng)電路的輔助電源使用了高頻開(kāi)關(guān)電源，電源產(chǎn)生的電磁噪聲也會(huì )通過(guò)直接傳導耦合的方式影響IGBT的驅動(dòng)信號。
1.4.2 公共阻抗耦合
三電平逆變器是一個(gè)復雜的系統，主功率電路、IGBT驅動(dòng)電路、控制電路及輔助電源之間都可能存在著(zhù)公共阻抗，干擾源產(chǎn)生的電磁噪聲會(huì )通過(guò)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驅動(dòng)電路而言，本系統使用了6塊兩路輸出的驅動(dòng)電路，每塊驅動(dòng)電路板上都有板載輔助電源。如果輔助電源的隔離、接地等方面設計不當，電磁噪聲便可能通過(guò)輔助電源公共阻抗傳導；各驅動(dòng)電路之間，尤其是同一塊驅動(dòng)板上兩路的干擾信號會(huì )相互影響，破壞電路正常的驅動(dòng)信號。

2 驅動(dòng)電路的EMC設計
IGBT驅動(dòng)電路采用集成驅動(dòng)模塊M57962L，在抗干擾方面，它有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)內部具有高速光耦，將脈沖控制信號與驅動(dòng)電路內部隔離，這樣數字控制電路與驅動(dòng)電路實(shí)現了電氣隔離，可以防止因電氣耦合產(chǎn)生的干擾；
(2)柵極驅動(dòng)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驅動(dòng)電路示意圖，驅動(dòng)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(jìn)一步分析驅動(dòng)電路的電磁兼容設計。

2.1 信號的光纖傳輸
PWM信號在傳輸過(guò)程中，若傳輸線(xiàn)較長(cháng)，強電脈沖會(huì )通過(guò)傳輸線(xiàn)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(shí)太大，則主電路中IGBT就無(wú)法正確地開(kāi)通或關(guān)斷，有可能會(huì )造成短路而損壞器件，信號傳輸的抗干擾設計是lGBT驅動(dòng)電路所要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。
在本系統中，數字控制系統與驅動(dòng)電路之間使用光纖傳輸信號，可以有效解決PWM信號傳輸的抗干擾問(wèn)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(guò)光信號傳輸，沒(méi)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(shí)，實(shí)現信號的遠距離傳送。
2.2 輔助電源的抗干擾設計
每一塊驅動(dòng)電路板上需要輔助電源提供兩種不同的電平信號，即驅動(dòng)芯片M57962L所需的+15.8V/-8.2V，分別為所要驅動(dòng)的IGBT提供正負偏壓信號，另外還需為驅動(dòng)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(méi)計使用24V直流輸入，經(jīng)過(guò)半橋逆變電路模塊后輸出高頻方波電壓，再通過(guò)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節的分析可以看到，驅動(dòng)電路的板載輔助電源不僅會(huì )產(chǎn)生干擾信號，而且設計不當會(huì )成為電磁噪聲的主要耦合途徑，影響驅動(dòng)信號的準確性，從而導致整個(gè)逆變器系統的故障。因此，輔助電源的抗干擾設計也是IGBT驅動(dòng)電路的重要問(wèn)題。針對上文的分析，板載輔助電源的設計主要考慮以下幾點(diǎn)。
2.2.1 隔離電源
驅動(dòng)電路要接于逆變器的主功率部分，如圖3所示，其中G點(diǎn)為IGBT門(mén)極驅動(dòng)信號輸入端；E點(diǎn)為IGBT發(fā)射極，與輔助電源的地電位相連，為驅動(dòng)信號提供參考電位。本文l.3節已經(jīng)分析過(guò)，由于逆變器在工作過(guò)程中IGBT的發(fā)射極電位(即E點(diǎn)電位)是浮動(dòng)的，如果不使用隔離電源的話(huà)，E點(diǎn)電位的大幅度變化必然會(huì )通過(guò)輔助電源回路引起電源輸入端的電位變化，導致電源的損壞。因此，在高壓、大功率的應用場(chǎng)合中，驅動(dòng)電路中輔助電源的隔離是尤為重要的。在本系統驅動(dòng)電路的輔助電源沒(méi)計中，24V直流輸入電壓經(jīng)過(guò)半橋逆變電路后通過(guò)變壓器進(jìn)行隔離，可以解決這一問(wèn)題。
2.2.2 多路獨立電源
如前所述，驅動(dòng)電路板上需要為驅動(dòng)芯片M57962L和其它電路提供兩種不同的電平信號。為驅動(dòng)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，為驅動(dòng)電路的弱電部分如鎖存器、門(mén)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(diǎn)作為接地點(diǎn)。
另外，每塊驅動(dòng)板沒(méi)計有兩路驅動(dòng)信號輸出，這兩路信號的驅動(dòng)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，驅動(dòng)電路電位會(huì )隨IGBT發(fā)射極電位而變化，開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)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(huì )有幾百到上千伏，驅動(dòng)電路的電源必須使用隔離電源分別提供。因此，每塊驅動(dòng)電路板上將會(huì )有三路獨立的隔離電源，分別為兩個(gè)IGBT驅動(dòng)芯片及其他部分的電路提供相應的電壓信號。
2.2.3 使用共模扼流圈
輔助電源的穩定性對驅動(dòng)電路信號的準確性的影響也至關(guān)重要。在本系統中，各路輔助電源的參考電位會(huì )有大幅度的頻繁變化，雖然各路電源均為獨立的隔離電源，但考慮到寄生參數的影響，會(huì )造成相互之間的電磁干擾。此外，開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生的高頻共模噪聲也會(huì )對輔助電源產(chǎn)生影響。
在設計中，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壓電路模塊，保證輸出電壓的穩定性；在穩壓電路后端也并聯(lián)了電解電容與瓷片電容進(jìn)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(kāi)關(guān)過(guò)程中，可能會(huì )產(chǎn)生很高的di/dt噪聲，在門(mén)極寄生電感上引起Ldi/dt電壓，造成門(mén)極的浪涌電壓。這種瞬態(tài)電壓可能會(huì )遠遠大于IGBT所能承受的門(mén)極驅動(dòng)電壓，對器件造成損壞。
為了控制門(mén)極浪涌電壓，通常將門(mén)極電壓箝位在門(mén)極電阻的一端。在沒(méi)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(mén)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(mén)極和發(fā)射極，以達到良好的抑制效果。
驅動(dòng)芯片的腳1為過(guò)壓檢測端，連接與IGBT的集電極C，當檢測到C端電壓過(guò)高時(shí)對電路進(jìn)行保護。腳1也可能受到瞬態(tài)噪聲干擾影響導致電壓過(guò)高損壞芯片，同樣，可以使用擊穿電壓為30V的齊納二極管進(jìn)行保護。
2.4 PCB的抗干擾設計
PCB的布局、布線(xiàn)也會(huì )對驅動(dòng)電路的抗干擾性有很大影響，對于本驅動(dòng)電路而言，要注意以下幾點(diǎn)。
2.4.1 電路布局
每塊驅動(dòng)板上的兩路驅動(dòng)信號用于驅動(dòng)同一橋臂的兩個(gè)IGBT，相互之間有著(zhù)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，由于驅動(dòng)電路中同時(shí)存在著(zhù)強電信號和弱電信號，在PCB布局時(shí)應注意不同信號相互分開(kāi)，并要有一定距離，以避免強弱信號相互耦合，干擾增加。
綜合考慮了驅動(dòng)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，有各種數字電路等；右半部分為兩路驅動(dòng)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?，驅動(dòng)電路部分與數字部分有一定的距離，驅動(dòng)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(xiàn)問(wèn)題
PCB在布線(xiàn)時(shí)也應考慮抗干擾設計。對本驅動(dòng)電路而言，首先應考慮電源線(xiàn)和地線(xiàn)要有足夠的寬度以適應較大的電流流過(guò)，可能的地方可以鋪銅以增強抗干擾性；所有的連接線(xiàn)尤其是高頻信號線(xiàn)(如控制信號輸入端)應盡可能的短，以減少奇生電感；此外應注意布線(xiàn)時(shí)盡量減少環(huán)路面積，以抑制電源的輻射干擾。
2.5 驅動(dòng)波形
IGBT正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的驅動(dòng)波形如圖7所示，其中CHl為輸入控制信號波形，CH2為輸出驅動(dòng)信號波形。當控制信號為低電平時(shí)，驅動(dòng)電路產(chǎn)生15V左右的電壓信號，可以有效地驅動(dòng)IGBT的門(mén)極使其開(kāi)通；當驅動(dòng)信號為高電平時(shí)，驅動(dòng)電路產(chǎn)生8V左右的負電壓，可以使IGBT有效關(guān)斷。

驅動(dòng)電路的過(guò)流保護功能如圖8所示，當控制信號為低電平時(shí)，驅動(dòng)電路輸出高電平使IGBT開(kāi)通；而電路過(guò)流時(shí)，驅動(dòng)電路檢測到IGBT的Vce過(guò)壓，通過(guò)M57962L內部電路將門(mén)極電壓軟關(guān)斷，避免電壓過(guò)沖造成器件的損壞。這樣可以在電路發(fā)生過(guò)流時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件，有效保護整個(gè)逆變器系統。

3 結語(yǔ)
本文分析了三電平逆變器系統中存在的主要干擾源及耦合途徑，并重點(diǎn)分析了這些干擾對于用于逆變器中的IGBT驅動(dòng)電路會(huì )造成的影響；通過(guò)這些分析，提出了IGBT驅動(dòng)電路在進(jìn)行EMC設計時(shí)應注意的一些問(wèn)題，具體討論了光纖傳輸信號、輔助電源設計、瞬態(tài)噪聲抑制以及PCB的抗干擾設計等問(wèn)題，采取相應的措施之后驅動(dòng)電路的抗干擾性能有了較大的改善。