IGBT高压逆变器的抗干扰原理及设计.doc

IGBT高压逆变器的抗干扰原理与设计摘要：简要描述了串联谐振式IGBT全桥逆变器的工作过程重点分析了系统设计中的干扰与抗干扰原理尤其针对受干扰危害性最大的IGBT触发电路介绍了几种行之有效的抗干扰方法。关键词：逆变器；触发；干扰；抗干扰/绝缘栅双极晶体管1、引言随着大功率半导体技术的快速发展尤其是IGBT和P-MOS器件的出现使得各种高频大功率DC/DC变换器和变频器得以广泛应用。然而由于频率和功率的增加逆变器会对系统其它部件产生强的干扰。比如：在开发高频X射线影像诊断系统时由于设备中既有模拟电路又有数字电路既有TTL电平又有CMOS电平既有小信号电路又有大信号电路（图像信号电流小到几个微安逆变电流峰值高达100多安培）既有强磁强电的空间辐射干扰又有高频高压脉冲的传导干扰。若不能有效地抑制这些干扰会使图像受干扰而影响正常诊断系统不能稳定工作或逆变器因瞬时短路而损坏。因此在系统设计中EMI和EMC是必须认真考虑的两个问题。2、串联谐振式高压逆变器的工作原理串联谐振式全桥高压逆变器的工作原理如图1所示。图中交流220V经桥式整流和滤波得到约300V的直流电压V1~V4构成一个全桥电子开关电路VD1~VD4是对应的并联快恢复二极管T1~T4是相应的IGBT触发电路CS和高压变压器的漏感LS构成谐振元件。各点的电压电流波形见图2。电路的工作原理可简单描述为正反两个充电过程。在正向充电过程中即T0~T2期间电源经V1→CS→LS→V4向电容CS充电形成正弦电流的正半周。在T1时刻电容电荷达到最大值充电电流等于零触发信号关断。从T1开始电容经VD1→CS→LS→VD4放电形成正弦电流的负半周在负半周结束后因V1、V4未能再次打开回路电流为零；从T2开始V2、V3导通电容CS被反向充电工作过程与前面所述相同。3、逆变器的抗干扰原理与方法3.1脉冲干扰逆变器的原理受到干扰的触发信号波形如图3所示。干扰脉冲（1）会造成半桥直接短路而烧毁IGBT；脉冲（2）虽不能造成短路但当频率提高时有潜在危害；波形（3）因幅度较低不足以引起电路触发翻转所以危害较小。根据实验测试当逆变功率达到3KW时这种干扰幅度可达11V左右因此电路设计时应从降低干扰源能量和抗干扰门限两方面采取措施。3.2降低输入和输出阻抗以抑制长线引起的干扰这种干扰的分布参数电路模型如图4A所示其等效模型如图4B。由于信号传输线较长强电脉冲通过分布电容或磁场耦合的等效电感叠加到信号回路中去。干扰幅度可由下式确定：VI=（ZS//Z1）/（ZS//Z1+ZI）UI（1）式中UI——干扰源VI——串入信号回路的干扰电压ZS——等效信号源内阻Z1——等效负载阻抗ZI——等效干扰源阻抗如果ZS//Z1＞＞ZI则串入信号回路的干扰幅度VI≌UI。由此可见同时减小ZS和Z1便能有效地减小干扰幅度。所以在传输距离较长时可采用减小干扰的措施：①跟随器输出和低阻输入；②增加强弱信号线之间的距离；③尽量避免平行布线；④强弱信号线分别采用绞合线并屏蔽。3.3自定义逻辑电平抑制强脉冲干扰不同种类的逻辑器件（如：DTL、TTL、HTL、ECL和CMOS等）有着不同的抗干扰容限它们的电特性如表1所示。由表可知可以选用触发电平高的器件来提高电路的抗干扰能力。然而由于电路的功能不同我们也不得不使用干扰容限较低的TTL器件。虽然CMOS抗干扰容限可达近6V也不能满足高达11V的强干扰。为了解决不同逻辑电路之间噪声容限不同的矛盾可把逻辑电路分为TTL、CMOS和自定义逻辑三部分各部分之间采用光隔完成电平转换。在触发电路板上采用自定义逻辑可使抗干扰容限任意设定。电路系统设计如图5所示。3.4隔离供电抑制IGBT开关干扰全桥逆变器的每一个触发电路必须隔离供电。由于供电变压器的分布电容和耦合电感的影响当其中一个IGBT导通或关断时产生的很强尖峰脉冲会通过分布电容（电感）干扰其它IGBT的正常工作。为了抑制这种干扰可采取以下措施（见图6）：①隔离变压器四组独立输出之间要增加绝缘层且有足够的厚度以减小分布电容。②T1与T4和T2与T3的供电绕组应相邻这样即使T1~T4（T2~T3）之间有干扰其相位也基本相同危害程度也较小。③T1~T4和T2~T3两组之间的绝缘层厚度应进一步加大以更有效地抑制非同相干扰。3.5元件布局与抗干扰能力由于逆变器的平均工作电流可达30A瞬时峰值电流可达100多安培高压变压器的漏电感及斩波器扼流电感会对触发电路产生干扰甚至很小的引线电感也不能忽略。如果不仔细设计PCB的布局这些磁通会穿过闭合的PCB导线而形成电流。为此可采取以下措施抑制干扰如图7所示。（1）每一个IGBT的触发电路元件应集中在一个狭窄的区域避免互相交