三电平逆变器IGBT驱动电路电磁兼容研究.doc

三电平逆变器IGBT驱动电路电磁兼容研究分析了三电平逆变器系统中IGBT驱动电路的主要干扰源及耦合途径在此基础上对lGBT驱动电路EMC设计的一些问题进行了研究重点讨论了光纤传输信号、辅助电源设计、瞬态噪声抑制以及PCB的抗干扰设计等问题并给出了设计方案。关键词：三电平逆变器；IGBT驱动电路；电磁干扰；电磁兼容0引言近年来二极管箝位型三电平逆变器在高压大功率场合的应用得到广泛的研究。与普通两电平逆变器相比三电平逆变器改善了输出电压波形降低了系统的电磁干扰并且可用耐压较低的器件实现高压输出。电路拓扑如图1所示。三电平逆变器系统结构如图2所示主要有不控整流电路、三电平逆变器、滤波器以及驱动电路、采样电路和DSP数字控制电路等。设计时使用了6个带有两路驱动信号输出的IGBT驱动电路。从系统结构图可以看到IGBT的驱动电路连接着数字控制电路与逆变器主功率电路是逆变器能否正常工作的关键所在。由于驱动电路靠近IGBT器件而且其中强电信号与弱电信号共存可能受到的电磁干扰更为严重因而IGBT驱动电路的EMC设计也是影响着整个逆变器系统工作性能的关键问题。本文将分析三电平逆变器系统中会对IGBT驱动电路产生影响的主要干扰源及耦合途径并重点讨论IGBT驱动电路的EMC设计。1干扰源及耦合途径对IGBT驱动电路进行EMC设计必须首先考虑三电平逆变器整个系统可能存在的干扰源及干扰噪声的耦合途径。1.1功率半导体器件的开关噪声由图2所示的逆变器系统结构图可以看到电网电压经过三相不控整流电路后输入三电平逆变器经过逆变电路和滤波电路后为负载供电。不控整流电路中的功率二极管及逆变器电路中器件(IGBT)在开关过程中均存在较高的di/dt可能通过线路或元器件的寄生电感引起瞬态电磁噪声。由于器件的功率容量很大造成的开关噪声是整个系统中最主要的干扰源对IGBT驱动电路工作的稳定性有着重要影响。1.1.l功率二极管的开关噪声功率二极管开通时电流迅速增加电压也会出现一个快速的上冲会导致一个宽带的电磁噪声；二极管在关断时会有一个反向恢复电流脉冲由于其幅度及di/dt都很大在电路的寄生电感作用下会产生很高的感应电压造成较强的瞬态电磁噪声。由于功率二极管应用在三相不控整流电路中输入电压较高开关过程中的电磁噪声对系统其他部分的影响会更为严重。IGBT驱动电路及DSP控制电路中的辅助电源是高频开关电源其中使用了较多快恢复二极管构成整流电路而快恢复二极管的反向恢复时间通常在纳秒量级因此它们通过引线电感造成的瞬态电磁噪声也是不可忽视的。1.1.2IGBT的开关噪声IGBT属于多子与少子的混合器件开关速度较快所以开关过程中其电流变化造成的瞬态电磁噪声会更为严重。三电平逆变器的主功率电路要用到12只IGBT器件并且工作在高压、高频、大电流的场合开关过程中产生的电磁噪声也是整个系统主要的干扰源。1.2整流电路造成的谐波干扰电网电压经过不控整流电路后输人逆变器部分由于功率二极管的开通与关断三相不控整流电路在工作过程中将会产生较大的谐波干扰及电磁噪声上一节已经对此进行了分析；另外不控整流电路会产生谐波干扰由于整流电路与电网直接相连它本身及后级电路产生的干扰将会通过整流电路以传导形式引人电网对连接在同一电网的其它设备造成干扰。1.3电位浮动产生的干扰逆变器在工作过程中IGBT的发射极电位是浮动的而且不同开关管电位相差很大以图1电路A相为例说明：当上桥臂IGBT管Sa1和Sa2开通时A相输出为+VdcIGBT的发射极电位也是+Vdc；同理下桥臂IGBTSa3和Sa4开通时IGBT的发射极电位为0中间两管Sa2和Sa3开通时发射极电位为+Vdc/2。IGBT门极驱动信号的参考电位取在IGBT的发射级E端这便要求驱动电路要与功率电路直接相连从而驱动电路的电源电位也会随IGBT的电位变化而变化。在逆变器工作过程中这种频繁的大幅度电位变化将会对驱动电路产生较大的电磁干扰尤其是同一块驱动板上的两路驱动信号之间会互相干扰影响电路的正常工作。1.4电磁噪声的耦合途径电磁噪声的耦合途径有传导和辐射两种方式在本逆变器系统中主要是传导耦合方式即电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式通过导线及其他元件(如变压器)耦合至被干扰电路。本文主要考虑会对IGBT驱动电路造成影响的噪声传导耦合。1.4.1直接传导耦合直接传导耦合是本系统中电磁噪声最主要的耦合方式。由于电路导线中存在着漏电阻及寄生电感、寄生电容等在进行EMC设计时必须考虑导线的等效阻抗造成的影响。在本系统中IGBT器件工作在高频状态下通过导线寄生电感产生的瞬态电压可能会对IGBT造成损坏也会对驱动电路产生严重影响。另外IGBT驱