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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。這種拓撲結構擁有很多優點，比如： 1)可用耐壓較低的器件實現高壓輸出； 2)與傳統兩電平逆變器相比，通過電平數的增加，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。 因其優越的性能，在高壓大功率場合得到了廣泛的應用。 在三電平逆變器系統中，承受高壓大電流的功率器件的開關過程會產生過高的dv／dt及di／dt,而且系統內部強電信號與弱電信號共存，模擬電路與數字電路共存，接地與PCB布線不當，以及輔助電源的不穩均會在系統內部產生干擾；另外系統供電電網與周圍電磁環境的影響也會對系統產生電磁干擾，導致系統無法正常工作，因此做好EMC設計至關重要。 本文給出了基于DSP與CPLD數字控制系統的二極管箝位三電平逆變器的系統設計方案，重點分析了系統設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 三電平逆變器系統與工作原理 圖1給出了三電平逆變器系統框圖，系統由以下幾部分組成：主功率電路、基于DSPTMS320LF2407和CPLD XC95144XL的數字控制系統、采樣電路、驅動保護電路、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，模塊內置續流二極管，采用2200V，100A的二極管模塊進行箝位。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內部自帶的A／D轉換器進行模數轉換，并利用軟件控制DSP輸出PWM信號，在CPLD內部做邏輯和死區處理。驅動保護電路接收來自CPLD的12路PWM信號來驅動IGBT，并在IGBT短路或過流時，將FAULT保護信號送至DSP，封鎖PWM信號。 假設圖l中直流側兩個電容等容量，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)與開關狀態的關系如表1所列，(其中1表示開關接通，O表示開關斷開)，可見每相均可以輸出+Vdr／2，O，一Vdr／2三個電平。 2 系統抗干擾原理與方法 要構成電磁干擾需要滿足3個條件：干擾源、噪聲耦合途徑、被干擾設備。耦合途徑包括傳導耦合和輻射耦合兩種。前面已經指出由于三電平逆變器系統的復雜結構，會受到來自系統外部和系統內部自身的干擾，下面主要討論系統中的傳導耦合，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 供電電網輸入端口處的干擾主要是傳導干擾，包括兩方面：一是電網上的干擾通過電源線引入設備，這種干擾可以是來自供電網其他設備產生的傳導性干擾，也可以是空間的電磁波在電源線上產生的共模干擾；另一方面主要是由于整流電路本身產生的諧波干擾和電磁噪聲，以及由它供電的后級電路產生的電磁噪聲以傳導耦合形式導入電網，對同一電網內的其他設備產生干擾。 輔助電源均采用高頻開關電源，由于采用了PWM技術，所以其開關器件工作在高頻通斷狀態，這種高頻的快速通斷過程便會產生高頻噪聲，并在負載上直接傳導電磁噪聲(共模、差模兩種噪聲傳導方式)，嚴重影響數字控制系統正常工作。 EMI濾波器可以抑制因瞬態噪聲或高頻噪聲措成的干擾．是解決傳導干擾十分有效的方法。 通常所用的EMI濾波器結構如圖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濾波器結構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生耦合，而且它們又會與共模電感產生耦合。這樣，在高頻范圍會嚴重影響EMI濾波器的性能。為此，我們采用了改進的結構，如圖4所示。 在改進的EMI濾波器結構中，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結構設計 直流母線采用BUSBAR結構設計，即采用銅板或銅條代替導線，使直流母線平行導體化，這樣可以降低配線電感，減小因其產生的干擾。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通斷時產生的dv／df及di／df會對系統的其他部分造成干擾，在大功率應用場合，由于電壓、電流等級較高，干擾會更加嚴重，必須根據實際要求選擇吸收電路形式并調整元件參數。 為此采用了圖5所示的結構簡單的緩沖電路，它充分利用三電平結構的特性，靠外部電容CS1,CS2的充放電來鉗制內部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。吸收電阻月s1及Rs2采用無感電阻，吸收二極管采用快恢復二極管。緩沖電路元件參數選擇可按式(1)、式(2)、式(3)選取。 式中：Lp為母線上的雜散電感； IL為負載電流； △V為吸收電壓峰值； f為IGBT開關頻率。 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 數字控制系統抗干擾措施 本文采用基于DSP和CPLD的數字控制系統，為提高控制系統的準確性和可靠性，從以下幾個方面進行電磁兼容設計，提高控制系統的抗干擾能力。 1)輔助電源抗干擾措施數字控制系統輸入電源為5V，通過LMll17T轉換成的3．3V為DSP和CPLD供電。直流電源的故障主要有輸出電壓不穩，欠壓或掉電。直流電壓不穩實質是反復的欠壓過程，會直接對數字控制系統產生干擾。為此采用了MC34064電源監視IC電路監視5V直流電源輸出電壓，圖6給出了電路接法。 當電壓低于4.59V時，監視電路將產生持續的復位信號使DSP和CPLD處于復位狀態，避免其不正常操作帶來的事故。當電源輸出恢復正常時(>4．6lV)，電路經過一個規定的延遲時間后撤消復位信號，保證數字控制系統正常工作，傳播延時時間由CDLY確定。 2)光纖抗干擾技術數字控制系統輸出的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斷，有可能會造成短路而榻壞器件。 為此，本文在數字控制系統與驅動電路之間采用光纖連接。圖8給出了采用光纖接收和發射的連接方式。 光纖連接的發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，而且能夠實現驅動信號的遠距離傳送，延時小。 3)PCB抗干擾措施 (1)采用電源平面和地平面 由于數字控制系統是高頻和高速的數字脈沖電路，所以它們的信號接地系統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噪聲電壓，要減小電源線的引線電感。所以，本文的數字控制系統采用四層板結構，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生的傳導干擾。 (2)去耦濾波抗干擾配置去耦電容可以抑制因負載變化而產生的噪聲，具體做法是：在電源輸入端要跨接電解電容；在數字集成電路芯片的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)數字與模擬電路的處理數字控制系統中既有模擬電路又有數字電路，要把它們盡量分開，并且將模擬電路的地和數字電路的地分開，最后再接到一起，在共接點選用合適的電感，將數字電路中的最強干擾隔離掉，接法如圖9所示。 另外，集成數字電路芯片沒有用到的管腳不要浮空，應該接到GND或VCC，防止不必要的開關轉換和噪聲產生。 2.1．4 驅動保護電路抗干擾措施 本文采用Powerx公司的集成驅動模塊M57962L，在抗干擾方面，它有以下優點： 1)內部具有高速光耦，將驅動脈沖信號與驅動電路內部隔離，這樣控制電路與驅動電路實現了電氣隔離，防止因電氣耦合產生的干擾； 2)柵極驅動采用雙極性控制電壓，使用負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)將門極驅動電阻擴大到樣本中記載的標準值的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動電路的干擾，需要對驅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，兩組之間保持適當的距離。 (2)驅動保護電路與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)在數字控制系統受到干擾、程序跑飛時，使程序復位，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、算術平均濾波、加權平均濾波等。 (2)設置看門狗 當DSP受到干擾引起程序亂飛，使程序進入“死循環”時，通過中斷服務程序，使程序回到初始化的第一行。 (3)軟件陷阱DSPTMS320LF2407有多達64K的程序存儲空間。通常在使用時會有大量未用的空間。在這些區域設置一段引導程序，當程序受到干擾跳到該區域時，引導程序將會強行指向專門對程序出錯進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。具體思路是將程序模塊化，每個模塊(子程序)執行一個功能，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lD寄存器中的ID號。如果正確，則繼續執行；如果不正確，則表示PC指針有可能已經跳錯，這時使程序復位，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指令。另外，在程序關鍵地方以及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行。 (6)數據的保護和恢復在程序編寫中，對于因為指令改變結果性質的數據，在每次改變前都盡可能地保護起來，必要時再恢復。 3 結語 本文給出了基于DSP與CPLD數字控制系統的二極管箝位三電平逆變器的系統設計方案，重點分析了系統設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中，能夠有效地抑制電磁干擾，大大提高了系統的穩定性和可靠性。 |
