IGBT高压逆变器的抗干扰原理及设计

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1、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C

2、MOS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，V1~V4构成一个全桥电子开关电路，VD1~VD4是对应的并联快恢复二极管，T1~T4是相应的IGBT触发电

3、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T0~T2期间，电源经V1→CS→LS→V4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VD1→CS→LS→VD4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

4、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U

5、I——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//Z1＞＞ZI，则串入信号回路的干扰幅度VI≌UI。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：①跟随器输出和低阻输入；②增加强弱信号线之间的距离；③尽量避免平行布线；④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

6、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

7、）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）：　　①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。　　②T1与T4和T2与T3的供电绕组应相邻，这样即使T1~T4（T2~T3）之间有干扰，其相位也基本相同，危害程度也较小。　　③T1~T4和T2~T3两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

8、局，这些磁通会穿过闭合的PCB导线而形