1 引言

多電平逆變器能夠提供電壓較高、容量較大的逆變電源，在很多場合已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在實現(xiàn)高電壓、大容量的同時，其性能也比普通兩電平逆變器有了很大的提高，如輸出波形好，每個開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力較小，開關(guān)損耗低等，因而成為人們研究的熱點課題。但是多電平逆變器的應(yīng)用中，不可避免地存在著一些干擾問題。這些干擾不同程度地影響了系統(tǒng)的正常工作，使系統(tǒng)無法可靠運行，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。因此，emi和emc成為多電平逆變器研制中必須認(rèn)真對待的問題。三電平逆變器是多電平逆變器中最簡單又最實用的一種電路。本文以在三電平移車逆變電源的研制實踐中總結(jié)的經(jīng)驗，淺談了中大容量多電平逆變器的干擾問題和抗干擾措施。

2 三電平移車逆變電源及其干擾原理分析

移車逆變電源是為提供電力機車庫內(nèi)調(diào)試或段內(nèi)檢修時移車所需電源而設(shè)計的裝置,特點是要求能適合低頻、低速及大電流工況下讓交流傳動機車或動車慢速平穩(wěn)地運行。其輸入電壓為380v、50hz工頻交流電源，直流側(cè)電壓可達530v，整個裝機容量達160kva。電源主電路結(jié)構(gòu)采用二極管篏位式，如圖1所示。

圖1 三電平逆變器主電路

其中，是1200v、400a的igbt模塊，～是反并聯(lián)續(xù)流二極管，、為篏位二極管。以x(x=a，b，c)相為例說明其工作原理為: 和導(dǎo)通時x相輸出正電平p; 和導(dǎo)通時，x相輸出負(fù)電平n; 和導(dǎo)通時，x相輸出零電平0。因此，逆變器交流側(cè)每相輸出電壓相對于直流側(cè)電壓有3種取值的可能，這也就是三電平逆變器名稱的由來。三電平逆變器要求主管和vx4不能同時導(dǎo)通，并且和，和的控制脈沖是互反的，這也就是要求開關(guān)狀態(tài)p和0之間、0和n之間可以相互過渡。p和n之間不能直接相互過渡，必須通過中間狀態(tài)0來過渡。
逆變器的干擾源可以分為兩種:外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾是指系統(tǒng)所處的外部空間環(huán)境對逆變器產(chǎn)生的干擾，既包括逆變器工作時現(xiàn)場周圍的供電和用電設(shè)備對逆變器產(chǎn)生的影響，也包括雷擊等自然現(xiàn)象給逆變器帶來的危害。顯然，避免外部干擾的主要措施是優(yōu)化逆變器的工作環(huán)境。內(nèi)部干擾是指系統(tǒng)內(nèi)部包括電源、電路等的不合理工作引起的干擾。三電平逆變器內(nèi)部系統(tǒng)中，強電信號與弱電信號共存，模擬電路與數(shù)字電路共存，ttl電平與cmos電平共存，因此各種信號間的電磁干擾不可避免。此外，系統(tǒng)電源不穩(wěn)定，接地系統(tǒng)不完善，系統(tǒng)布線不合理等也會引起內(nèi)部干擾。內(nèi)部干擾是系統(tǒng)的固有干擾，也是主要干擾，因此本文研究的重點在于內(nèi)部干擾的分析與抑制。

3 微機控制系統(tǒng)中的干擾及抑制措施

在本項目中，由8097單片機產(chǎn)生6路觸發(fā)脈沖，經(jīng)過控制與分配電路，再經(jīng)驅(qū)動電路產(chǎn)生12路驅(qū)動信號，控制主電路中igbt管的開斷。若驅(qū)動信號在傳輸過程中受到干擾，延時太大，甚至發(fā)生畸變，則主電路中igbt便不能正確、安全地開通與關(guān)斷，這樣很可能造成器件損耗乃至擊穿，后果是不堪設(shè)想的。長線干擾和電源不穩(wěn)引起的干擾是主要的干擾源。

3.1 長線傳輸?shù)目垢蓴_技術(shù)
長線傳輸干擾是指信號在長線傳輸時，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響而產(chǎn)生的干擾。長線干擾的等效原理圖如圖2所示。干擾幅度可以由下式得出:

圖2 長線干擾等效示意圖

其中—干擾源;
—干擾電壓幅度 ;
—分別為等效信號源阻抗、等效負(fù)載阻抗和等效干擾源阻抗。
一般說來，長線干擾表現(xiàn)在兩個方面:一是信號延時較大，二是高速度變化的信號在長線中傳輸時，會出現(xiàn)波反射的現(xiàn)象。有效抑制長線干擾的辦法是正確選擇和敷設(shè)信號線。這包括:
(1) 信號線最好選用阻抗高、抗共模干擾能力強的雙絞線。信號以電流形式而不是電壓形式傳輸。
(2) 不同性質(zhì)、不同電壓等級的信號線分槽敷設(shè)。實現(xiàn)強弱信號分開布線、交直流信號分開布線、高低壓信號分開布線。并盡量避免平行布線，若布線必須交叉，則交叉角度應(yīng)成90°。
(3) 屏蔽信號傳輸線路，以有效抑制空間電磁場對傳輸信號的干擾。屏蔽信號線的屏蔽層要一端接地，同時要避免多點接地。
(4) 采用終端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可消除和抑制長線傳輸中的波反射。

3.2 電源的抗干擾技術(shù)
作為在工業(yè)現(xiàn)場使用的微機系統(tǒng)，對輸入為380v、50hz工頻交流電的電網(wǎng)有著較高的要求:
(1) 電網(wǎng)的穩(wěn)定度不應(yīng)超過限定值，否則應(yīng)有報警信號，以便及時處理;
(2) 要求電網(wǎng)的供電電壓諧波較少、干擾較小，否則會造成微機錯停;
(3) 供電電網(wǎng)不能無規(guī)則停電, 以避免對微機系統(tǒng)造成損壞。
實際上，由于在電源的輸入側(cè)有整流電路，必將產(chǎn)生非線性引起的諧波，這種在電源輸入側(cè)產(chǎn)生的高次諧波干擾將使電源輸入電壓、電流產(chǎn)生畸變。為有效抑制強動力電源對微機控制系統(tǒng)的干擾，可在電源接入處采用濾波技術(shù)和變壓器隔離技術(shù)。電容濾波是很簡單也很經(jīng)濟的濾波技術(shù)，圖3所示為移車電源的整流及其電容濾波電路。為用于抑制諧波的整流電源濾波器，為直流側(cè)濾波電容。的選擇對電路性能影響較大。選擇合適的濾波電容，不僅能取得較好的濾波效果，還能減小體積、降低成本。一般說來，電容量與負(fù)載電流和電壓波紋的大小有關(guān)。負(fù)載電流越大，電容越大; 波紋越小，電容越大。隔離變壓器也是普遍使用的抗擾器件，由于它只能傳輸交流信號，不能傳輸直流信號，因此能較好地抑制電源系統(tǒng)對地線的低頻干擾。

圖3 整流及其電容濾波電路

三電平微機控制系統(tǒng)中的直流電源有三種:單片微型機接口芯片用5v直流電源、模擬信號檢測用12v直流電源以及直流繼電器用24v直流電源。直流電源的穩(wěn)定與否直接關(guān)系著檢測信號的精確度和控制信號的穩(wěn)定性。為防止直流電源不穩(wěn)引起干擾，應(yīng)當(dāng)選用穩(wěn)壓性能較好的直流穩(wěn)壓電源電路。此外，對逆變器和控制系統(tǒng)都需要使用的直流電源，要求對兩個系統(tǒng)分別供電，以避免逆變器通過直流電源對控制系統(tǒng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。在本項目中選用了5v、12v和24v三種開關(guān)電源實現(xiàn)電壓的分離供電，以避免相互串?dāng)_。這種開關(guān)電源用脈寬調(diào)制方式調(diào)整直流電壓，調(diào)整管以開關(guān)形式工作，功耗較低。
電源接地技術(shù)也是多電平逆變器研制過程中必須考慮的抗干擾技術(shù)。一般講來，接地的目的有三種:強電系統(tǒng)接地的目的主要是為了保障工作人員的安全，防止觸電。進行逆變器工作試驗時將逆變器的外殼接大地，就是為了使操作人員觸摸外殼時不會觸電。在脈沖信號控制與分配電路中，模擬電路的接地是為了工作的需要，提供一個電位參考點。第三種接地的目的完全是為了防止系統(tǒng)干擾而采取的措施。從屏蔽保護抗干擾的觀點選擇接地點時應(yīng)考慮如下的原則:
(1) 根據(jù)不同的干擾源采用不同的接地措施，不能認(rèn)為只要系統(tǒng)有一點接地就可以消除一切干擾。實際應(yīng)用中，交流電源與直流電源不能共地，模擬電路電源與數(shù)字電路電源也不能共地。
(2) 接地點要選擇適當(dāng)，選擇不當(dāng)會導(dǎo)致在消除一種干擾的同時引入新的干擾。
(3) 選擇接地點時盡量考慮抗干擾效果的兼容性，即通過一種接地措施消除幾種干擾。
(4) 接地點要接觸良好，接地電阻盡量小，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。
另外，接地技術(shù)可以分為多點接地和一點接地。多點接地是指裝置中存在多個接地點，每個接地端都直接與它最近的接地點相連。一點接地是指在整個電路或裝置中，只定義一個物理點為接地點。

4 驅(qū)動電路中的抗干擾技術(shù)

驅(qū)動電路接收控制系統(tǒng)輸出的微弱門電平信號，經(jīng)處理后控制主電路中開關(guān)器件的通斷。在移車逆變電源研制中采用的驅(qū)動器是由瑞士concept公司生產(chǎn)的scale驅(qū)動器2sd315a-25，其控制電路如圖4所示。

圖4 scale 驅(qū)動電路圖(半橋模式)

scale驅(qū)動器在抗干擾方面有如下的優(yōu)點:
(1) 具有雙極性控制電壓(典型值為±15v)的柵極驅(qū)動，使得任何規(guī)格的igbt模塊都能可靠地運行。由于通過使用負(fù)的柵極電壓而獲得的高抗干擾性，許多功率mosfet或者igbt模塊能夠并聯(lián)使用。
(2) 包含有用于所有通道的小型的隔離變壓器，提供了突出的電氣隔離特性。
(3) 具有可靠的變壓器原理:選擇使用脈沖變壓器，所使用的脈沖變壓器的mtbf(故障隔離時間)優(yōu)于光耦以及光導(dǎo)纖維的連接。
(4) 通過驅(qū)動器回路的延遲時間大約為300～350ns，正負(fù)邊緣的延遲是對稱的。各個驅(qū)動器之間在延遲時間上幾乎沒有差異，和并聯(lián)電路一樣，它是確保無偏移問題而運行的一個重要因素。鑒于上述優(yōu)點，scale驅(qū)動器用于大功率部分和控制部分之間，至少具有100kv/μs的極高的共模抑制比。
為達到更好的抗干擾效果，采取了以下的優(yōu)化措施:
(1) 采用光電耦合器把驅(qū)動脈沖輸入信號和驅(qū)動電路內(nèi)部信號隔離，這樣驅(qū)動電路與計算機部分的信號傳送就實現(xiàn)了電氣隔離，有效防止了電氣耦合產(chǎn)生的干擾。使用光電耦合器實現(xiàn)電氣隔離具有電路簡潔、可靠性高的優(yōu)點。在使用光電耦合器時，應(yīng)注意其負(fù)載電阻對電路延時的影響。
(2) 驅(qū)動電路的印刷電路板(pcb)的合理設(shè)計與布局。合理設(shè)計pcb及元件的布局可以抑制高壓變頻器中平均電流和瞬間電流對驅(qū)動電路的干擾。驅(qū)動電路的pcb布局如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電路pcb布局示意圖

脈沖互反的驅(qū)動電路應(yīng)相鄰，如t1、t3和t2、t4分別相鄰，并且兩組之間應(yīng)保持較遠的距離。pcb與igbt模塊之間的引線應(yīng)盡可能短，以將驅(qū)動器輸出級和igbt之間的寄生電感降至最低，并且應(yīng)注意g、e兩根引線應(yīng)相互絞合，盡量不與c極引線纏繞。必須正確放置驅(qū)動板，以防止功率電路和控制電路之間的電感耦合。設(shè)計pcb時，應(yīng)使電源線與接地線相距較遠，以避免出現(xiàn)電流環(huán)路。此外，為了抑制板間的相互串?dāng)_，可在pcb的電源與地端之間接一個50μf左右的電解電容。

5 吸收網(wǎng)絡(luò)與電壓電流瞬變干擾的抑制

igbt通斷時產(chǎn)生的dv/dt、di/dt會對系統(tǒng)其他部分造成干擾，因此必須根據(jù)實際要求認(rèn)真選擇吸收電路的形式并仔細(xì)調(diào)整元件參數(shù)。在移車逆變電源的研制中采用了一種改進的三角形吸收電路。圖6給出了一相的電路圖。

圖6 三電平逆變器中的三角形吸收電路(一相)

其中電容、為篏位電容，為吸收電容，在應(yīng)用中取，==c。吸收電阻采用無感電阻，吸收二極管采用快速恢復(fù)二極管。電路中吸收電容的參數(shù)選擇可依據(jù)下式:

式中—母線上的雜散電感;
—負(fù)載電流;
δv—吸收電壓峰值。
從吸收電壓的損耗和igbt關(guān)斷時過電壓角度考慮，希望篏位電容c盡可能大，吸收電容盡可能小些。實際設(shè)計中，通常c為的6～10倍。吸收電阻采用無感電阻，一般取阻容放電時間常數(shù)為主管igbt開關(guān)周期的1/6～1/3。吸收二極管采用快速恢復(fù)二極管，以提高吸收電路響應(yīng)過程。在設(shè)計三角形吸收電路時，不僅要求對吸收電容、電阻、二極管進行參數(shù)選擇，還應(yīng)考慮吸收電路中各元件的布局和連線，以最大程度地抑制igbt通斷時電壓電流瞬間變化引起的干擾。

6 其它干擾及其抑制

抗干擾技術(shù)是一項實踐性很強的技術(shù)，需要在不斷的試驗中發(fā)現(xiàn)并消除干擾。多電平逆變器研制中，常見的干擾還有以下幾種:
(1) 接觸不良引起的干擾
接觸不良引起的干擾可能是由于開關(guān)或接觸元件本身存在問題，也可能是由于導(dǎo)線或元器件固定不牢，使得系統(tǒng)受到外力沖擊和震動時元器件產(chǎn)生位移，導(dǎo)致接插件松動，引起接觸不良。因此，除在電路設(shè)計時選用質(zhì)量和接觸較好的接插件，還應(yīng)特別注意系統(tǒng)中電子元器件、導(dǎo)線及電纜的穩(wěn)妥固定。
(2) 負(fù)載共振引起的干擾
在高壓逆變器帶大功率電機負(fù)載運行時，電機轉(zhuǎn)矩中的脈動可能造成電機振動與機械振動產(chǎn)生共振，對設(shè)備造成損害。其抑制措施是找到負(fù)載固有的共振頻率，利用逆變器頻率跳躍功能避開共振頻率點。
以上是從硬件方面考慮抗干擾，實際中可以采用軟硬件結(jié)合的方法提高整個系統(tǒng)的抗干擾性能。信號的采集和傳輸過程是容易受到干擾的環(huán)節(jié)，通過軟件提高信號采集的真實性，即不含有干擾信號，則系統(tǒng)的抗干擾性能也會收到事半功倍的效果。此外，還可以在軟件中設(shè)置必要的檢查和處理子程序，檢查系統(tǒng)中的干擾情況。

7 結(jié)束語

本研究室為青島四方車輛廠研制了一臺容量為160kva的igbt移車逆變電源，并在試驗站進行了大功率電機拖動試驗，運行良好，證明在研制過程中采用的方法應(yīng)用于中大容量三電平逆變電源中，能有效抑制強電磁干擾，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻
[1] 王錦標(biāo),方崇智. 過程計算機控制. 北京:清華大學(xué)出版社,1992
[2] 李卓成. igbt高壓逆變器的抗干擾原理與設(shè)計.電力電子技術(shù),2002

作者簡介
龔熙國(1979-) 男 碩士研究生 現(xiàn)就讀于同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，研究方向為電力電子與電氣傳動。