三電平逆變器IGBT驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)高壓輸出。電路拓?fù)淙鐖D1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(dòng)電路、采樣電路和DSP數(shù)字控制電路等。設(shè)計(jì)時(shí)使用了6個(gè)帶有兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看到，IGBT的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路靠近IGBT器件，而且其中強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)共存，可能受到的電磁干擾更為嚴(yán)重，因而IGBT驅(qū)動(dòng)電路的EMC設(shè)計(jì)也是影響著整個(gè)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(huì)對(duì)IGBT驅(qū)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(qū)動(dòng)電路的EMC設(shè)計(jì)。

1 干擾源及耦合途徑
對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，必須首先考慮三電平逆變器整個(gè)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(fù)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(gè)系統(tǒng)中最主要的干擾源，對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)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(shí)，電流迅速增加，電壓也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)快速的上沖，會(huì)導(dǎo)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(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(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，造成較強(qiáng)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(duì)系統(tǒng)其他部分的影響會(huì)更為嚴(yán)重。
IGBT驅(qū)動(dòng)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(shí)間通常在納秒量級(jí)，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(huì)更為嚴(yán)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，開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁噪聲也是整個(gè)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(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾及電磁噪聲，上一節(jié)已經(jīng)對(duì)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(jí)電路產(chǎn)生的干擾將會(huì)通過整流電路以傳導(dǎo)形式引人電網(wǎng)，對(duì)連接在同一電網(wǎng)的其它設(shè)備造成干擾。
1.3 電位浮動(dòng)產(chǎn)生的干擾
逆變器在工作過程中，IGBT的發(fā)射極電位是浮動(dòng)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(dāng)上橋臂IGBT管Sa1和Sa2開通時(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開通時(shí)，IGBT的發(fā)射極電位為0，中間兩管Sa2和Sa3開通時(shí)，發(fā)射極電位為+Vdc/2。
IGBT門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的參考電位取在IGBT的發(fā)射級(jí)E端，這便要求驅(qū)動(dòng)電路要與功率電路直接相連，從而驅(qū)動(dòng)電路的電源電位也會(huì)隨IGBT的電位變化而變化。在逆變器工作過程中，這種頻繁的大幅度電位變化將會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生較大的電磁干擾，尤其是同一塊驅(qū)動(dòng)板上的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(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(huì)對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)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(jìn)行EMC設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)對(duì)IGBT造成損壞，也會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，IGBT驅(qū)動(dòng)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(huì)通過直接傳導(dǎo)耦合的方式影響IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
1.4.2 公共阻抗耦合
三電平逆變器是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，主功率電路、IGBT驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)電路而言，本系統(tǒng)使用了6塊兩路輸出的驅(qū)動(dòng)電路，每塊驅(qū)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(shè)計(jì)不當(dāng)，電磁噪聲便可能通過輔助電源公共阻抗傳導(dǎo)；各驅(qū)動(dòng)電路之間，尤其是同一塊驅(qū)動(dòng)板上兩路的干擾信號(hào)會(huì)相互影響，破壞電路正常的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2 驅(qū)動(dòng)電路的EMC設(shè)計(jì)
IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用集成驅(qū)動(dòng)模塊M57962L，在抗干擾方面，它有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)內(nèi)部具有高速光耦，將脈沖控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部隔離，這樣數(shù)字控制電路與驅(qū)動(dòng)電路實(shí)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(dòng)采用雙極性控制電壓，使用負(fù)的柵極電壓可以獲得較高的抗干擾性。
圖3是IGBT驅(qū)動(dòng)電路示意圖，驅(qū)動(dòng)電路的控制、反饋信號(hào)均采用光纖傳輸，HFBR-1522/2522為光信號(hào)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(qū)動(dòng)電路的電磁兼容設(shè)計(jì)。

2.1 信號(hào)的光纖傳輸
PWM信號(hào)在傳輸過程中，若傳輸線較長(zhǎng)，強(qiáng)電脈沖會(huì)通過傳輸線的分布電容和分布電感對(duì)PWM信號(hào)產(chǎn)生干擾。如果信號(hào)受到干擾或延時(shí)太大，則主電路中IGBT就無法正確地開通或關(guān)斷，有可能會(huì)造成短路而損壞器件，信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_設(shè)計(jì)是lGBT驅(qū)動(dòng)電路所要考慮的重點(diǎn)問題。
在本系統(tǒng)中，數(shù)字控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電路之間使用光纖傳輸信號(hào)，可以有效解決PWM信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_問題。光纖傳輸信號(hào)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(hào)傳輸，沒有直接的電氣連接，能夠精確傳送PWM控制信號(hào)。光纖傳輸信號(hào)不僅解決了功率電路和控制電路之間的強(qiáng)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(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。
2.2 輔助電源的抗干擾設(shè)計(jì)
每一塊驅(qū)動(dòng)電路板上需要輔助電源提供兩種不同的電平信號(hào)，即驅(qū)動(dòng)芯片M57962L所需的+15.8V/-8.2V，分別為所要驅(qū)動(dòng)的IGBT提供正負(fù)偏壓信號(hào)，另外還需為驅(qū)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。輔助電源沒計(jì)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(hào)。
由本文1.1和l.4節(jié)的分析可以看到，驅(qū)動(dòng)電路的板載輔助電源不僅會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，而且設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)成為電磁噪聲的主要耦合途徑，影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致整個(gè)逆變器系統(tǒng)的故障。因此，輔助電源的抗干擾設(shè)計(jì)也是IGBT驅(qū)動(dòng)電路的重要問題。針對(duì)上文的分析，板載輔助電源的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn)。
2.2.1 隔離電源
驅(qū)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門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(qū)動(dòng)信號(hào)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(diǎn)電位)是浮動(dòng)的，如果不使用隔離電源的話，E點(diǎn)電位的大幅度變化必然會(huì)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(chǎng)合中，驅(qū)動(dòng)電路中輔助電源的隔離是尤為重要的。在本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的輔助電源沒計(jì)中，24V直流輸入電壓經(jīng)過半橋逆變電路后通過變壓器進(jìn)行隔離，可以解決這一問題。
2.2.2 多路獨(dú)立電源
如前所述，驅(qū)動(dòng)電路板上需要為驅(qū)動(dòng)芯片M57962L和其它電路提供兩種不同的電平信號(hào)。為驅(qū)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(qū)動(dòng)電路的弱電部分如鎖存器、門電路等供電。為了防止強(qiáng)弱信號(hào)互相干擾，這兩路信號(hào)必須由兩路獨(dú)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(qū)動(dòng)板沒計(jì)有兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，這兩路信號(hào)的驅(qū)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(qū)動(dòng)電路電位會(huì)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(huì)有幾百到上千伏，驅(qū)動(dòng)電路的電源必須使用隔離電源分別提供。因此，每塊驅(qū)動(dòng)電路板上將會(huì)有三路獨(dú)立的隔離電源，分別為兩個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)芯片及其他部分的電路提供相應(yīng)的電壓信號(hào)。
2.2.3 使用共模扼流圈
輔助電源的穩(wěn)定性對(duì)驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的準(zhǔn)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(huì)有大幅度的頻繁變化，雖然各路電源均為獨(dú)立的隔離電源，但考慮到寄生參數(shù)的影響，會(huì)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(huì)對(duì)輔助電源產(chǎn)生影響。
在設(shè)計(jì)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(duì)高頻共模噪聲信號(hào)而言為高阻抗性質(zhì)，從而可有效抑制共模噪聲對(duì)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(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的開關(guān)過程中，可能會(huì)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(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IGBT所能承受的門極驅(qū)動(dòng)電壓，對(duì)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(jì)中，本電路利用一對(duì)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(dá)到良好的抑制效果。
驅(qū)動(dòng)芯片的腳1為過壓檢測(cè)端，連接與IGBT的集電極C，當(dāng)檢測(cè)到C端電壓過高時(shí)對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。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(jìn)行保護(hù)。
2.4 PCB的抗干擾設(shè)計(jì)
PCB的布局、布線也會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾性有很大影響，對(duì)于本驅(qū)動(dòng)電路而言，要注意以下幾點(diǎn)。
2.4.1 電路布局
每塊驅(qū)動(dòng)板上的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩個(gè)IGBT，相互之間有著很大的電位差，這便要求這兩路信號(hào)之間要有足夠的絕緣等級(jí)。另外，由于驅(qū)動(dòng)電路中同時(shí)存在著強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)，在PCB布局時(shí)應(yīng)注意不同信號(hào)相互分開，并要有一定距離，以避免強(qiáng)弱信號(hào)相互耦合，干擾增加。
綜合考慮了驅(qū)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(shù)字電路等；右半部分為兩路驅(qū)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。可以看到，驅(qū)動(dòng)電路部分與數(shù)字部分有一定的距離，驅(qū)動(dòng)電路A、B之間也有足夠的距離，以保證達(dá)到電路所要求的絕緣等級(jí)。

2.4.2 布線問題
PCB在布線時(shí)也應(yīng)考慮抗干擾設(shè)計(jì)。對(duì)本驅(qū)動(dòng)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(qiáng)抗干擾性；所有的連接線尤其是高頻信號(hào)線(如控制信號(hào)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(shí)盡量減少環(huán)路面積，以抑制電源的輻射干擾。
2.5 驅(qū)動(dòng)波形
IGBT正常工作狀態(tài)下產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)波形如圖7所示，其中CHl為輸入控制信號(hào)波形，CH2為輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生15V左右的電壓信號(hào)，可以有效地驅(qū)動(dòng)IGBT的門極使其開通；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生8V左右的負(fù)電壓，可以使IGBT有效關(guān)斷。

驅(qū)動(dòng)電路的過流保護(hù)功能如圖8所示，當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出高電平使IGBT開通；而電路過流時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)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(shí)關(guān)斷開關(guān)器件，有效保護(hù)整個(gè)逆變器系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)
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(diǎn)分析了這些干擾對(duì)于用于逆變器中的IGBT驅(qū)動(dòng)電路會(huì)造成的影響；通過這些分析，提出了IGBT驅(qū)動(dòng)電路在進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一些問題，具體討論了光纖傳輸信號(hào)、輔助電源設(shè)計(jì)、瞬態(tài)噪聲抑制以及PCB的抗干擾設(shè)計(jì)等問題，采取相應(yīng)的措施之后驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾性能有了較大的改善。