IGBT高压逆变器的抗干扰原理及设计.doc

IGBT高压逆变器的抗干扰原理与设计摘要： 简要描述了串联谐振式IGBT全桥逆变器的工作过程，重点分析了系统设计中的干扰与抗干扰原理，尤其针对受干扰危害性最大的IGBT触发电路，介绍了几种行之有效的抗干扰方法。关键词： 逆变器；触发；干扰；抗干扰/绝缘栅双极晶体管1、引言随着大功率半导体技术的快速发展，尤其是IGBT和P-MOS器件的出现，使得各种高频大功率DC/DC变换器和变频器得以广泛应用。然而，由于频率和功率的增加，逆变器会对系统其它部件产生强的干扰。比如：在开发高频X射线影像诊断系统时，由于设备中既有模拟电路又有数字电路，既有TTL电平又有CMOS电平，既有小信号电路又有大信号电路（图像信号电流小到几个微安，逆变电流峰值高达100多安培），既有强磁强电的空间辐射干扰，又有高频高压脉冲的传导干扰。若不能有效地抑制这些干扰，会使图像受干扰而影响正常诊断，系统不能稳定工作或逆变器因瞬时短路而损坏。因此，在系统设计中，EMI和EMC是必须认真考虑的两个问题。2、串联谐振式高压逆变器的工作原理串联谐振式全桥高压逆变器的工作原理如图1所示。图中，交流220V经桥式整流和滤波得到约300V的直流电压，V1V4构成一个全桥电子开关电路，VD1VD4是对应的并联快恢复二极管，T1T4是相应的IGBT触发电路，CS和高压变压器的漏感LS构成谐振元件。各点的电压电流波形见图2。电路的工作原理可简单描述为正反两个充电过程。在正向充电过程中，即T0T2期间，电源经V1CSLSV4向电容CS充电，形成正弦电流的正半周。在T1时刻，电容电荷达到最大值，充电电流等于零，触发信号关断。从T1开始，电容经VD1CSLSVD4放电，形成正弦电流的负半周，在负半周结束后，因V1、V4未能再次打开，回路电流为零；从T2开始，V2、V3导通，电容CS被反向充电，工作过程与前面所述相同。3、逆变器的抗干扰原理与方法3.1 脉冲干扰逆变器的原理受到干扰的触发信号波形如图3所示。干扰脉冲（1）会造成半桥直接短路而烧毁IGBT；脉冲（2）虽不能造成短路，但当频率提高时有潜在危害；波形（3）因幅度较低，不足以引起电路触发翻转，所以危害较小。根据实验测试，当逆变功率达到3KW时，这种干扰幅度可达11V左右，因此电路设计时应从降低干扰源能量和抗干扰门限两方面采取措施。3.2 降低输入和输出阻抗以抑制长线引起的干扰这种干扰的分布参数电路模型如图4A所示，其等效模型如图4B。由于信号传输线较长，强电脉冲通过分布电容或磁场耦合的等效电感叠加到信号回路中去。干扰幅度可由下式确定：VI=（ZS/Z1）/（ZS/Z1+ZI）UI （1）式中UI干扰源VI串入信号回路的干扰电压ZS等效信号源内阻Z1等效负载阻抗ZI等效干扰源阻抗如果ZS/Z1ZI，则串入信号回路的干扰幅度VIUI。由此可见，同时减小ZS和Z1便能有效地减小干扰幅度。所以，在传输距离较长时，可采用减小干扰的措施：跟随器输出和低阻输入；增加强弱信号线之间的距离；尽量避免平行布线；强弱信号线分别采用绞合线并屏蔽。3.3 自定义逻辑电平抑制强脉冲干扰不同种类的逻辑器件（如：DTL、TTL、HTL、ECL和CMOS等）有着不同的抗干扰容限，它们的电特性如表1所示。由表可知，可以选用触发电平高的器件来提高电路的抗干扰能力。然而，由于电路的功能不同，我们也不得不使用干扰容限较低的TTL器件。虽然CMOS抗干扰容限可达近6V，也不能满足高达11V的强干扰。为了解决不同逻辑电路之间噪声容限不同的矛盾，可把逻辑电路分为TTL、CMOS和自定义逻辑三部分，各部分之间采用光隔完成电平转换。在触发电路板上采用自定义逻辑，可使抗干扰容限任意设定。电路系统设计如图5所示。3.4 隔离供电抑制IGBT开关干扰全桥逆变器的每一个触发电路必须隔离供电。由于供电变压器的分布电容和耦合电感的影响，当其中一个IGBT导通或关断时产生的很强尖峰脉冲会通过分布电容（电感）干扰其它IGBT的正常工作。为了抑制这种干扰，可采取以下措施（见图6）：隔离变压器四组独立输出之间要增加绝缘层且有足够的厚度以减小分布电容。T1与T4和T2与T3的供电绕组应相邻，这样即使T1T4（T2T3）之间有干扰，其相位也基本相同，危害程度也较小。T1T4和T2T3两组之间的绝缘层厚度应进一步加大，以更有效地抑制非同相干扰。3.5 元件布局与抗干扰能力由于逆变器的平均工作电流可达30A，瞬时峰值电流可达100多安培，高压变压器的漏电感及斩波器扼流电感会对触发电路产生干扰，甚至很小的引线电感也不能忽略。如果不仔细设计PCB的布局，这些磁通会穿过闭合的PCB导线而形成电流。为此，可采取以下措施抑制干扰，如图7所示。（1）每一个IGBT的触发电路元件应集中在一个狭窄的区域，避免互相交叉；（2）同一相位的触发电路应相邻，如T1T4和T2T3分别相邻，而两组之间距离应相对较远；（3）PCB与IGBT之间的引线应尽可能短并互相绞合，在本设计中，该长度为15厘米；（4）用于滤波或扼流的电感必须远离触发板，并尽量使磁力线与PCB平面夹角为零。4、吸收网络与干扰强度为了使IGBT安全地工作并防止其通断产生的电压电流瞬变造成对系统其它部分的干扰，必须认真选择吸收电路形式并仔细调试元件参数。吸收电路主要有图8所示3种形式。图8A由一个低感电容组成，这种电路简单且成本低，但可能与引线电感产生减幅谐振，它只适用于小功率电路；图8B使用快恢复二极管，它可箝住瞬变电压，从而阻止谐振的发生，但当功率更大时，因回路电感作用而不能有效抑制瞬态电压；图8C的功能类似于图8B，由于电容和二极管直接连接到IGBT的集-射极，故可减小引线电感，这种电路适用于大功率逆变器；有时为了得到更好的缓冲效果，几种电路可以组合使用。估算CS和RS值，然后通过实验对其值进行修正。具体方法为：用磁平衡电流传感器检测主回路电流，通过示波器观察其波形，吸收良好的电流波形应光滑，无拐点（串联谐振逆变器），无跃变。方法如图8C所示。此方法可不予考虑LM估算时的极不准确性和不可测量性，在工程设计中很实用。图9示出了两种网络参数的电流波形图。图9B中曲线（1）表示在吸收不良情况下采取了抗干扰措施的触发波形图。5、结论这些