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。

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　　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。

　　1.1.2 IGBT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+Vdc，IGBT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驱动电路的辅助电源使用了高频开关电源，电源产生的电磁噪声也会通过直接传导耦合的方式影响IGBT的驱动信号。

　　1.4.2 公共阻抗耦合

　　三电平逆变器是一个复杂的系统，主功率电路、IGBT驱动电路、控制电路及辅助电源之间都可能存在着公共阻抗，干扰源产生的电磁噪声会通过公共地阻抗耦合或公共电源阻抗耦合的方式影响被干扰电路。

　　就IGBT驱动电路而言，本系统使用了6块两路输出的驱动电路，每块驱动电路板上都有板载辅助电源。如果辅助电源的隔离、接地等方面设计不当，电磁噪声便可能通过辅助电源公共阻抗传导；各驱动电路之间，尤其是同一块驱动板上两路的干扰信号会相互影响，破坏电路正常的驱动信号。

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　　2 驱动电路的EMC设计

　　IGBT驱动电路采用集成驱动模块M57962L，在抗干扰方面，它有以下优点：

　　(1)内部具有高速光耦，将脉冲控制信号与驱动电路内部隔离，这样数字控制电路与驱动电路实现了电气隔离，可以防止因电气耦合产生的干扰；

　　(2)栅极驱动采用双极性控制电压，使用负的栅极电压可以获得较高的抗干扰性。

　　图3是IGBT驱动电路示意图，驱动电路的控制、反馈信号均采用光纤传输，HFBR-1522/2522为光信号发送、接受器；Von/Voff为板载辅助电源。本文将从以下几方面进一步分析驱动电路的电磁兼容设计。


　　2.1 信号的光纤传输

　　PWM信号在传输过程中，若传输线较长，强电脉冲会通过传输线的分布电容和分布电感对PWM信号产生干扰。如果信号受到干扰或延时太大，则主电路中IGBT就无法正确地开通或关断，有可能会造成短路而损坏器件，信号传输的抗干扰设计是lGBT驱动电路所要考虑的重点问题。

　　在本系统中，数字控制系统与驱动电路之间使用光纤传输信号，可以有效解决PWM信号传输的抗干扰问题。光纤传输信号的原理如图4所示。


　　可以看到，光纤连接的发射和接收电路之间通过光信号传输，没有直接的电气连接，能够精确传送PWM控制信号。光纤传输信号不仅解决了功率电路和控制电路之间的强弱电隔离，使电磁干扰降到了最低，而且能够减小延时，实现信号的远距离传送。

　　2.2 辅助电源的抗干扰设计

　　每一块驱动电路板上需要辅助电源提供两种不同的电平信号，即驱动芯片M57962L所需的+15.8V/-8.2V，分别为所要驱动的IGBT提供正负偏压信号，另外还需为驱动板上的其它辅助电路提供+5V电源，如光纤接收/发送器、锁存器、光耦合器等。辅助电源没计使用24V直流输入，经过半桥逆变电路模块后输出高频方波电压，再通过变压器隔离、升压、滤波后输出所需的电压信号。

　　由本文1.1和l.4节的分析可以看到，驱动电路的板载辅助电源不仅会产生干扰信号，而且设计不当会成为电磁噪声的主要耦合途径，影响驱动信号的准确性，从而导致整个逆变器系统的故障。因此，辅助电源的?