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。
1.1.2 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。

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，辅助电源的抗干扰设计也是IGBT驱动电路的重要问题。针对上文的分析，板载辅助电源的设计主要考虑以下几点。
2.2.1 隔离电源
    驱动电路要接于逆变器的主功率部分，如图3所示，其中G点为IGBT门极驱动信号输入端；E点为IGBT发射极，与辅助电源的地电位相连，为驱动信号提供参考电位。本文l.3节已经分析过，由于逆变器在工作过程中IGBT的发射极电位(即E点电位)是浮动的，如果不使用隔离电源的话，E点电位的大幅度变化必然会通过辅助电源回路引起电源输入端的电位变化，导致电源的损坏。因此，在高压、大功率的应用场合中，驱动电路中辅助电源的隔离是尤为重要的。在本系统驱动电路的辅助电源没计中，24V直流输入电压经过半桥逆变电路后通过变压器进行隔离，可以解决这一问题。
2.2.2 多路独立电源
    如前所述，驱动电路板上需要为驱动芯片M57962L和其它电路提供两种不同的电平信号。为驱动芯片供电的电源，将与逆变器的主功率电路相接；而另一路5V电源，为驱动电路的弱电部分如锁存器、门电路等供电。为了防止强弱信号互相干扰，这两路信号必须由两路独立的隔离电源分别提供，而不能使用相同的参考点作为接地点。
    另外，每块驱动板没计有两路驱动信号输出，这两路信号的驱动芯片也必须使用不同的两路隔离电源分别供电。如前文所分析，驱动电路电位会随IGBT发射极电位而变化，开通与关断过程中发射极电压的变化有千伏以上；不同的lGBT管电位差也会有几百到上千伏，驱动电路的电源必须使用隔离电源分别提供。因此，每块驱动电路板上将会有三路独立的隔离电源，分别为两个IGBT驱动芯片及其他部分的电路提供相应的电压信号。
2.2.3 使用共模扼流圈
    辅助电源的稳定性对驱动电路信号的准确性的影响也至关重要。在本系统中，各路辅助电源的参考电位会有大幅度的频繁变化，虽然各路电源均为独立的隔离电源，但考虑到寄生参数的影响，会造成相互之间的电磁干扰。此外，开关管产生的高频共模噪声也会对辅助电源产生影响。
    在设计中，每路隔离电源中都加人了共模扼流圈，即图5中的T。共模扼流圈对高频共模噪声信号而言为高阻抗性质，从而可有效抑制共模噪声对电路的影响，保证电源输出电压的稳定性。

2.2.4 滤波电路
    除使用共模扼流圈之外，辅助电源还采取了其它的滤波措施。如图5所示，在整流电路及共模扼流圈后端，分别加入了100μF的电解电容和0.lμF的瓷片电容，可有效吸收整流电路产生的高次谐波及尖峰电压。电路的后端接有三端稳压电路模块，保证输出电压的稳定性；在稳压电路后端也并联了电解电容与瓷片电容进行滤波，减小输出电压纹波，保证辅助电源的高质量输出。
    另外，在靠近各芯片电源输入端的位置，都分别并联了O.1μF瓷片电容作为去耦电容，抑制高频耦合噪声的干扰。
2.3 瞬态噪声抑制
    在IGBT的开关过程中，可能会产生很高的di/dt噪声，在门极寄生电感上引起Ldi/dt电压，造成门极的浪涌电压。这种瞬态电压可能会远远大于IGBT所能承受的门极驱动电压，对器件造成损坏。
    为了控制门极浪涌电压，通常将门极电压箝位在门极电阻的一端。在没计中，本电路利用一对击穿电压为17V的齐纳二极管背靠背接于IGBT的门极端和发射极端，如图3所示；连接位置尽可能地接近IGBT的门极和发射极，以达到良好的抑制效果。
    驱动芯片的脚1为过压检测端，连接与IGBT的集电极C，当检测到C端电压过高时对电路进行保护。脚1也可能受到瞬态噪声干扰影响导致电压过高损坏芯片，同样，可以使用击穿电压为30V的齐纳二极管进行保护。
2.4 PCB的抗干扰设计
    PCB的布局、布线也会对驱动电路的抗干扰性有很大影响，对于本驱动电路而言，要注意以下几点。
2.4.1 电路布局
    每块驱动板上的两路驱动信号用于驱动同一桥臂的两个IGBT，相互之间有着很大的电位差，这便要求这两路信号之间要有足够的绝缘等级。另外，由于驱动电路中同时存在着强电信号和弱电信号，在PCB布局时应注意不同信号相互分开，并要有一定距离，以避免强弱信号相互耦合，干扰增加。
    综合考虑了驱动板的尺寸、抗干扰性等因素后，PCR布局如图6所示：左半部分主要为弱电部分，有各种数字电路等；右半部分为两路驱动电路A、B及各自的辅助电源，与逆变器的功率电路相连。可以看到，驱动电路部分与数字部分有一定的距离，驱动电路A、B之间也有足够的距离，以保证达到电路所要求的绝缘等级。

2.4.2 布线问题
    PCB在布线时也应考虑抗干扰设计。对本驱动电路而言，首先应考虑电源线和地线要有足够的宽度以适应较大的电流流过，可能的地方可以铺铜以增强抗干扰性；所有的连接线尤其是高频信号线(如控制信号输入端)应尽可能的短，以减少奇生电感；此外应注意布线时尽量减少环路面积，以抑制电源的辐射干扰。
2.5 驱动波形
    IGBT正常工作状态下产生的驱动波形如图7所示，其中CHl为输入控制信号波形，CH2为输出驱动信号波形。当控制信号为低电平时，驱动电路产生15V左右的电压信号，可以有效地驱动IGBT的门极使其开通；当驱动信号为高电平时，驱动电路产生8V左右的负电压，可以使IGBT有效关断。

    驱动电路的过流保护功能如图8所示，当控制信号为低电平时，驱动电路输出高电平使IGBT开通；而电路过流时，驱动电路检测到IGBT的Vce过压，通过M57962L内部电路将门极电压软关断，避免电压过冲造成器件的损坏。这样可以在电路发生过流时关断开关器件，有效保护整个逆变器系统。

3 结语
    本文分析了三电平逆变器系统中存在的主要干扰源及耦合途径，并重点分析了这些干扰对于用于逆变器中的IGBT驱动电路会造成的影响；通过这些分析，提出了IGBT驱动电路在进行EMC设计时应注意的一些问题，具体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，采取相应的措施之后驱动电路的抗干扰性能有了较大的改善。