二極管箝位型三電平逆變器的電磁兼容研究

O 前言
中點箝位型(Neutral Point Clamped)三電平逆變器由A．Nabae等人在1980年的IAS會議上提出。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有很多優(yōu)點，比如：
1)可用耐壓較低的器件實現(xiàn)高壓輸出；
2)與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比，通過電平數(shù)的增加，改善了輸出電壓波形；
3)dv口／df相對較小，從而改善了裝置的EMI特性。

因其優(yōu)越的性能，在高壓大功率場合得到了廣泛的應(yīng)用。

在三電平逆變器系統(tǒng)中，承受高壓大電流的功率器件的開關(guān)過程會產(chǎn)生過高的dv／dt及di／dt,而且系統(tǒng)內(nèi)部強電信號與弱電信號共存，模擬電路與數(shù)字電路共存，接地與PCB布線不當(dāng)，以及輔助電源的不穩(wěn)均會在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生干擾；另外系統(tǒng)供電電網(wǎng)與周圍電磁環(huán)境的影響也會對系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，因此做好EMC設(shè)計至關(guān)重要。

本文給出了基于DSP與CPLD數(shù)字控制系統(tǒng)的二極管箝位三電平逆變器的系統(tǒng)設(shè)計方案，重點分析了系統(tǒng)設(shè)計中的電磁兼容問題，并針對這些問題，分別從硬件和軟件兩方面提出了有效的解決方案。

1 三電平逆變器系統(tǒng)與工作原理
圖1給出了三電平逆變器系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)由以下幾部分組成：主功率電路、基于DSPTMS320LF2407和CPLD XC95144XL的數(shù)字控制系統(tǒng)、采樣電路、驅(qū)動保護(hù)電路、輔助電源和PC機。其中，二極管箝位三電平逆變器如圖2所示．

每相橋臂采用一對1200V，100A的IGBT模塊串聯(lián)，模塊內(nèi)置續(xù)流二極管，采用2200V，100A的二極管模塊進(jìn)行箝位。采樣電路對逆變器輸出電壓、電流和直流母線電壓采樣，利用DSP內(nèi)部自帶的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用軟件控制DSP輸出PWM信號，在CPLD內(nèi)部做邏輯和死區(qū)處理。驅(qū)動保護(hù)電路接收來自CPLD的12路PWM信號來驅(qū)動IGBT，并在IGBT短路或過流時，將FAULT保護(hù)信號送至DSP，封鎖PWM信號。

假設(shè)圖l中直流側(cè)兩個電容等容量，且電壓相等，均為Vdr／2。則A相橋臂輸出電壓(以0點為參考點)與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系如表1所列，(其中1表示開關(guān)接通，O表示開關(guān)斷開)，可見每相均可以輸出+Vdr／2，O，一Vdr／2三個電平。

2 系統(tǒng)抗干擾原理與方法
要構(gòu)成電磁干擾需要滿足3個條件：干擾源、噪聲耦合途徑、被干擾設(shè)備。耦合途徑包括傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩種。前面已經(jīng)指出由于三電平逆變器系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，會受到來自系統(tǒng)外部和系統(tǒng)內(nèi)部自身的干擾，下面主要討論系統(tǒng)中的傳導(dǎo)耦合，并從硬件和軟件兩個方面給出有效抗干擾措施。

2.l 硬件抗干擾措施
2．1．1 電源輸入端口的抗干擾措施
供電電網(wǎng)輸入端口處的干擾主要是傳導(dǎo)干擾，包括兩方面：一是電網(wǎng)上的干擾通過電源線引入設(shè)備，這種干擾可以是來自供電網(wǎng)其他設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)性干擾，也可以是空間的電磁波在電源線上產(chǎn)生的共模干擾；另一方面主要是由于整流電路本身產(chǎn)生的諧波干擾和電磁噪聲，以及由它供電的后級電路產(chǎn)生的電磁噪聲以傳導(dǎo)耦合形式導(dǎo)入電網(wǎng)，對同一電網(wǎng)內(nèi)的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。

輔助電源均采用高頻開關(guān)電源，由于采用了PWM技術(shù)，所以其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，這種高頻的快速通斷過程便會產(chǎn)生高頻噪聲，并在負(fù)載上直接傳導(dǎo)電磁噪聲(共模、差模兩種噪聲傳導(dǎo)方式)，嚴(yán)重影響數(shù)字控制系統(tǒng)正常工作。

EMI濾波器可以抑制因瞬態(tài)噪聲或高頻噪聲措成的干擾．是解決傳導(dǎo)干擾十分有效的方法。

通常所用的EMI濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中C1。C2是差模電容L1，L2是共模電感，C3、C4、C5、C6是共模電容。

但是，這種EMI濾波器結(jié)構(gòu)自身存在著明顯的不足：由于兩個差模電容C1，C2自身有寄生電感，所以兩個寄生電感之間會產(chǎn)生耦合，而且它們又會與共模電感產(chǎn)生耦合。這樣，在高頻范圍會嚴(yán)重影響EMI濾波器的性能。為此，我們采用了改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

在改進(jìn)的EMI濾波器結(jié)構(gòu)中，兩個差模電容采用X型連接，這樣做的好處是可以大大減小甚至消除電容中寄生電感引起的耦合，極大地改善了EMI濾波器的高頻性能。

2 1．2 主功率電路抗干擾措施
1)采用BUSSBAP結(jié)構(gòu)設(shè)計 直流母線采用BUSBAR結(jié)構(gòu)設(shè)計，即采用銅板或銅條代替導(dǎo)線，使直流母線平行導(dǎo)體化，這樣可以降低配線電感，減小因其產(chǎn)生的干擾。同時，對抑制IGBT通斷時的浪涌申壓和dv／df也有效果。
2)緩沖吸收電路 IGBT通斷時產(chǎn)生的dv／df及di／df會對系統(tǒng)的其他部分造成干擾，在大功率應(yīng)用場合，由于電壓、電流等級較高，干擾會更加嚴(yán)重，必須根據(jù)實際要求選擇吸收電路形式并調(diào)整元件參數(shù)。

為此采用了圖5所示的結(jié)構(gòu)簡單的緩沖電路，它充分利用三電平結(jié)構(gòu)的特性，靠外部電容CS1,CS2的充放電來鉗制內(nèi)部IGBT上的電壓，使之不突變。Cov1和Cov2吸收主回路雜散電感上的能量，從而鉗制過電壓，Cov1和Cov2要盡量靠近橋臂側(cè)。吸收電阻月s1及Rs2采用無感電阻，吸收二極管采用快恢復(fù)二極管。緩沖電路元件參數(shù)選擇可按式(1)、式(2)、式(3)選取。

式中：Lp為母線上的雜散電感；
IL為負(fù)載電流；
△V為吸收電壓峰值；
f為IGBT開關(guān)頻率。

3)其他抗干擾措施在逆變器輸出端連接低通濾波器；IGBT的G、E端子之間接上小容量電容器，降低dv／df及di／dt。

2．1．3 數(shù)字控制系統(tǒng)抗干擾措施
本文采用基于DSP和CPLD的數(shù)字控制系統(tǒng)，為提高控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，從以下幾個方面進(jìn)行電磁兼容設(shè)計，提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

1)輔助電源抗干擾措施數(shù)字控制系統(tǒng)輸入電源為5V，通過LMll17T轉(zhuǎn)換成的3．3V為DSP和CPLD供電。直流電源的故障主要有輸出電壓不穩(wěn)，欠壓或掉電。直流電壓不穩(wěn)實質(zhì)是反復(fù)的欠壓過程，會直接對數(shù)字控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。為此采用了MC34064電源監(jiān)視IC電路監(jiān)視5V直流電源輸出電壓，圖6給出了電路接法。

當(dāng)電壓低于4.59V時，監(jiān)視電路將產(chǎn)生持續(xù)的復(fù)位信號使DSP和CPLD處于復(fù)位狀態(tài)，避免其不正常操作帶來的事故。當(dāng)電源輸出恢復(fù)正常時(>4．6lV)，電路經(jīng)過一個規(guī)定的延遲時間后撤消復(fù)位信號，保證數(shù)字控制系統(tǒng)正常工作，傳播延時時間由CDLY確定。

2)光纖抗干擾技術(shù)數(shù)字控制系統(tǒng)輸出的PWM信號，在傳輸過程中會受到長線傳輸干擾的影響。其原理如圖7所示。干擾幅度可由式(4)確定。

式中：Ur為干擾源；
Ui為干擾電壓幅度；
Zs為等效信號源阻抗；
Zo為等效負(fù)載阻抗；
Zi為等效干擾源阻抗。

PWM信號在傳輸過程中，若傳輸線較長，強電脈沖會通過傳輸線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太大，則主電路中IGBT就無法正確地開通或關(guān)斷，有可能會造成短路而榻壞器件。

為此，本文在數(shù)字控制系統(tǒng)與驅(qū)動電路之間采用光纖連接。圖8給出了采用光纖接收和發(fā)射的連接方式。

光纖連接的發(fā)射和接收之間沒有直接的電氣連接，能夠精確傳送PWM控制信號，不僅解決了功率電路和控制電路之間的強弱電隔離，抗電磁干擾問題，而且能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動信號的遠(yuǎn)距離傳送，延時小。

3)PCB抗干擾措施
(1)采用電源平面和地平面 由于數(shù)字控制系統(tǒng)是高頻和高速的數(shù)字脈沖電路，所以它們的信號接地系統(tǒng)必須具有極低的地阻抗，電路中所有元件接到參考地的引線電感盡可能小，另外為了減小電源瞬態(tài)噪聲電壓，要減小電源線的引線電感。所以，本文的數(shù)字控制系統(tǒng)采用四層板結(jié)構(gòu)，中間兩層為單獨的電源層和地層，可以大大減小因公共阻抗耦合產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。
(2)去耦濾波抗干擾配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，具體做法是：在電源輸入端要跨接電解電容；在數(shù)字集成電路芯片的VCC和GND之間用高頻低電感的陶瓷電容進(jìn)行去耦濾波，去耦電容供電回路的面積越小越好，越接近芯片越好，去耦電容引線越短越好。
(3)數(shù)字與模擬電路的處理數(shù)字控制系統(tǒng)中既有模擬電路又有數(shù)字電路，要把它們盡量分開，并且將模擬電路的地和數(shù)字電路的地分開，最后再接到一起，在共接點選用合適的電感，將數(shù)字電路中的最強干擾隔離掉，接法如圖9所示。

另外，集成數(shù)字電路芯片沒有用到的管腳不要浮空，應(yīng)該接到GND或VCC，防止不必要的開關(guān)轉(zhuǎn)換和噪聲產(chǎn)生。

2.1．4 驅(qū)動保護(hù)電路抗干擾措施
本文采用Powerx公司的集成驅(qū)動模塊M57962L，在抗干擾方面，它有以下優(yōu)點：
1)內(nèi)部具有高速光耦，將驅(qū)動脈沖信號與驅(qū)動電路內(nèi)部隔離，這樣控制電路與驅(qū)動電路實現(xiàn)了電氣隔離，防止因電氣耦合產(chǎn)生的干擾；
2)柵極驅(qū)動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lO是采用光纖傳送的驅(qū)動電路示意圖。

此外，我們采用了以下抗干擾措施。

1)將門極驅(qū)動電阻擴(kuò)大到樣本中記載的標(biāo)準(zhǔn)值的2～3倍，這樣可以使交換時間變長，從而使IGBT的dv／dt及di／dt降低。

2)為了抑制主功率電路對驅(qū)動電路的干擾，需要對驅(qū)動電路的元件合理布局，如圖ll所示。

(1)S1和S3相鄰，S2和S4相鄰，兩組之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x。
(2)驅(qū)動保護(hù)電路與IGBT模塊之間選用阻抗高、抗共模干擾能力強的雙絞線，引線盡可能短，以減小寄生電感，兩線間互絞越密效果越好。
3)每個lCBT觸發(fā)電路均采用通過變壓器隔離的相互獨立的電源供電，以避免電磁噪聲通過公共阻抗耦合對彼此產(chǎn)生干擾。

2.2 軟件抗干擾措施
除了以上采用的硬件抗干擾措施外，充分利用軟件抗干擾的能力能夠最大程度地抑制干擾。軟件抗干擾主要包括以下兩方面：

1)消除模擬輸入信號的噪聲干擾；

2)在數(shù)字控制系統(tǒng)受到干擾、程序跑飛時，使程序復(fù)位，能夠重新正常工作針對上面兩種情況，采取了以下抗干擾措施。

(1)數(shù)字濾波可以有效地消除模擬輸入信號的噪聲，從而抑制于擾。常用方法包括限幅濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波等。
(2)設(shè)置看門狗 當(dāng)DSP受到干擾引起程序亂飛，使程序進(jìn)入“死循環(huán)”時，通過中斷服務(wù)程序，使程序回到初始化的第一行。
(3)軟件陷阱DSPTMS320LF2407有多達(dá)64K的程序存儲空間。通常在使用時會有大量未用的空間。在這些區(qū)域設(shè)置一段引導(dǎo)程序，當(dāng)程序受到干擾跳到該區(qū)域時，引導(dǎo)程序?qū)娦兄赶驅(qū)ｉT對程序出錯進(jìn)行處理的程序段地址，從而使程序重新納入正軌。
(4)程序口令當(dāng)程序受到干擾亂飛到非空白段的程序段時，可以采用程序口令技術(shù)。具體思路是將程序模塊化，每個模塊(子程序)執(zhí)行一個功能，且只有一個出口(RET)，再通過一個模塊ID寄存器，為每個子程序配置一個唯一的ID號碼，每當(dāng)子程序要返回(RET)之前，先將本子程序的ID號送入ID寄存器，返回到上級程序后，先判斷l(xiāng)D寄存器中的ID號。如果正確，則繼續(xù)執(zhí)行；如果不正確，則表示PC指針有可能已經(jīng)跳錯，這時使程序復(fù)位，回到初始化第一行。
(5)軟件冗余在編寫程序時，盡可能多采用單字節(jié)指令。另外，在程序關(guān)鍵地方以及RET、CALL、BCND、B等指令之前插入2條或3條NOP指令。這樣，可以使因受到干擾而亂飛的程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。
(6)數(shù)據(jù)的保護(hù)和恢復(fù)在程序編寫中，對于因為指令改變結(jié)果性質(zhì)的數(shù)據(jù)，在每次改變前都盡可能地保護(hù)起來，必要時再恢復(fù)。

3 結(jié)語
本文給出了基于DSP與CPLD數(shù)字控制系統(tǒng)的二極管箝位三電平逆變器的系統(tǒng)設(shè)計方案，重點分析了系統(tǒng)設(shè)計中的電磁兼容問題，并針對這些問題，分別從硬件和軟件兩方面提出了有效的解決方案。將這些方法用于三電平逆變器系統(tǒng)中，能夠有效地抑制電磁干擾，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。