高频逆变电源的内外干扰解析及处理

小体积大功率正在成为设计者们追捧的设计方向。在这种发展趋势下，高频逆变电源正逐渐向着小体积发展。与此同时，如何维持小体积大功率前提下的稳定性成为了新的挑战。

高频逆变器的稳定性好坏主要取决于电磁兼容的设计，不仅要求能够对外部产生的干扰进行消除，还要将高频逆变器内部的干扰进行抵消。这样既可以逆变器本身就可以稳定运行，又可以满足电磁辐射的要求，具有很大的使用价值。

逆变器外部干扰分析

外部主要是来自于逆变器周围工况环境中的电磁干扰，由于逆变器主要应用于工业现场之中，周围存在着大量的干扰和辐射，比如断路器的开合，由于断路器拉弧带来的瞬态脉冲群可以通过空间、电缆和接地系统进入逆变器的电源电路和控制电路，可以使电源供电在几微秒内变为0v，并产生剧烈震荡，如图1所示，铝厂车间22kv变电所空开合闸时导致逆变器5v电源严重干扰。这些严重的可以导致微处理器死机，外部程序存储器的程序丢失。

除了空间电磁骚扰，静电也是一个重要的骚扰，当维护设备时，静电会通过设备的接触面或者端子连接处进入逆变器的控制电路，在很短时间内出现数千伏的高压脉冲群，经过机壳或者地线进入控制系统和电源，影响逆变器的控制电路，轻者使逆变器误报故障，严重会使逆变器重启或死机。

逆变器内部干扰分析

内部干扰主要来自三个方面。

一是控制电路中高速信号线、时钟信号线和电子元器件的辐射，tms320f28335拥有150mhz的时钟频率，运行过程中的高速开关电压和电流情况下，pcb的铜线就会变成天线，辐射电磁能量，可以从电路板的一个断面辐射到另一个断面，形成干扰。

另一方面就是控制电路供电电源的电磁干扰。逆变器供电电源多是开关电源，电源中的变压器、主功率管工作在高速开关过状态，电压和电流接近方波，含有丰富的高次谐波。同时，变压器和主功率管在开通和关断时呈现非理想状态，常常产生高频高压的谐振震荡，通过散热片、变压器等向控制电路辐射高频噪声。

第三方面就是主电路中整流部分和逆变部分开关管开关过程中带来的电磁干扰，当igbt通过大电流时，具有很大di/dt和du/dt，产生的开关噪声通过底线，分布电容，分布电感等进入控制电路，导致控制电路的逻辑混乱并干扰电压电流等采样的模拟信号，影响控制精度。

抗干扰设计研究

外部干扰的处理

对于外部的电磁干扰，主要的预防是在电源进线上增加滤波装置和浪涌装置，将高频干扰滤除，保证系统的稳定。同时逆变器的自身要安装屏蔽装置，将从空间等媒质传到来的干扰降到最低，现场条件允许，可以将逆变器等微机控制装置的保护地与断路器等强电的保护地分开，减少串扰。对于静电，主要是控制电路有良好的接地系统，通过接地系统将静电快速的传导到大地之中。在控制电路的电路板上设置环形接地通道，电路各个模块接地通过电阻和高频电容或者磁珠并联与环形接地通道跳接，然后将环形接地通道接入柜体的等电位接地铜排上，接地线要短，接触良好。为了防止芯片在放电过程中损坏，在芯片电源管脚处安装tvs，并就近接地。总之，接地阻抗要低，这样静电释放就快速，不会产生电弧。

电源的处理

逆变器的供电电源一般取自三相不可控整流的直流母线，进线电压比较高，当遇到到泵升电压情况，母线电压瞬间可以达到700v~800v，所以电源首先具有很宽的输入电压。电压如果三相交流进线端的浪涌和滤波处理妥当[5]，那么经过直流母线滤波电容之后的电源比较平稳。电源设计最好采用软开关控制技术，可以有效的降低功率管开关是产生的高频振荡。在电源进入控制板处安装滤波电容，一般取100μf的电解电容或者钽电容，同时配合一个0.1μf的瓷片电容，为了防止静电和浪涌，在电源处安装压敏电阻或者tvs等。

电路板设计

电路板布局

电路板设计主要包括电路板层数的选择，元器件的选型，元器件的布局和合理的布线。一般如果条件允许，推荐使用多层电路板。多层板比双面板更能避免共阻抗耦合，提供屏蔽以及有利于多电平的合理分配。多层板中间独立的电源层和底层可以使相同功能的系统处于以等电势的环境中，对噪声和干扰有着很好的抑制效果，一般4层板就可以满足要求。逆变器是一个强电和弱点综合的系统，合理的布局，可以降低不同器件连接而产生的噪声。由图1可知，由于控制系统包括了控制器、通讯、ad、da、通讯、数字量输入、数字量输入等模块，为了保证各个模块互不干扰，都采用独立供电。

控制电路的地线设计

所有的控制信号都是从电源出发，最终回到地中，为了保证信号在传输过程中不受干扰，信号回路接地阻抗越小越好。多层电路板具有一个单独的地平面层，放置位置紧邻元器件最多的一层，这就为信号的快速回流提供了一个快速低阻抗的通道。在逆变控制电路中，地平面根据不同的功能和供电进行分割。为了保证控制系统的稳定，这些地需要连接到一块。接地的方式主要有单点接地和多点接地，以及混合接地。单点并联接地就是将各个电路模块接到一个参考点上，适用于1mhz以下的系统。多点接地就是每个电路模块就近接到同一个参考地上，这种接地方式为各个电路模块提供了低阻抗接地回路，但是对于50hz的干扰却无法消除。由于tms320f28335工作在150mhz，而且逆变器输入为380v/50hz工频交流电，采用混合接地方式，如图3所示。

如图4所示：并且将各个地分别通过一个100nf的电容和100ω的电阻与系统地相连接，再通过铜柱与柜体连接，这样当外部的静电等骚扰进入电路板板可以通过低阻抗的接地回路进入大地。

电路板走线设计

电路板布线，除了基本pcb的布线规则以外，还要考虑实际的电路布局和功能。控制系统拥有丰富的外部接口，同时还外扩了ram、同时还扩展了ad和da转换芯片，为了提高采样和转换速率，均采用并行接口，这些数据线和地址线的最高读取速度可达66.7mhz，所以这些器件尽量的靠近dsp，缩短布线长度。电路中的模拟信号和数字信号一定要分开，防止信号线交叉，影响ad的转换精度。对于高速的时钟电路、低位地址线、串口线等，为了信号完整性，串一个50ω的电阻，减少电平上升时间，降低消耗。

去耦电容布局

当电路中控制信号电平信号的跳变时，尤其是在上升沿比较陡峭时，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，为了抑制噪声，在芯片靠近供电电源的管脚放置一0.1μf的电容，既可以做芯片的蓄能电容，又可以滤除芯片产生的高频噪声。

外部接口电路的设计

控制系统设计了丰富的外部接口电路，包括数字量输入、数字量输出、模拟量输入、通讯等，这些接口均采用光耦隔离，有效的将外部的干扰信号滤除，保证控制系统的稳定运行。如图4所示。

从以上的分析中可以看出，想要提高高频逆变器的可靠性，需要多方面的知识综合考虑。在电磁兼容的之外还要考虑散热与仿真等因素。而这些关键节点则需要在设计之初就充分考虑，否则在产品完成之后再进行修改就会对整体的进度造成非常大的影响，直接影响成本。

所以在设计时，要学会从根本出发来考虑，思考如何将高频逆变器的结构设计的更加合理，以便于处理好干扰的同时，解决逆变器本身的辐射问题。