二极管箝位型三电平逆变器的电磁兼容研究（一）

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  O 前言

   中点箝位型(Neutral Point Clamped)三电平逆变器由A．Nabae等人在1980年的IAS会议上提出。这种拓扑结构拥有很多优点，比如：

   1)可用耐压较低的器件实现高压输出；
   2)与传统两电平逆变器相比，通过电平数的增加，改善了输出电压波形；
   3)dv口／df相对较小，从而改善了装置的EMI特性。

   因其优越的性能，在高压大功率场合得到了广泛的应用。

   在三电平逆变器系统中，承受高压大电流的功率器件的开关过程会产生过高的dv／dt及di／dt,而且系统内部强电信号与弱电信号共存，模拟电路与数字电路共存，接地与PCB布线不当，以及辅助电源的不稳均会在系统内部产生干扰；另外系统供电电网与周围电磁环境的影响也会对系统产生电磁干扰，导致系统无法正常工作，因此做好EMC设计至关重要。

   本文给出了基于DSP与CPLD数字控制系统的二极管箝位三电平逆变器的系统设计方案，重点分析了系统设计中的电磁兼容问题，并针对这些问题，分别从硬件和软件两方面提出了有效的解决方案。

1 三电平逆变器系统与工作原理

   图1给出了三电平逆变器系统框图，系统由以下几部分组成：主功率电路、基于DSPTMS320LF2407和CPLD XC95144XL的数字控制系统、采样电路、驱动保护电路、辅助电源和PC机。其中，二极管箝位三电平逆变器如图2所示．

                               
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   每相桥臂采用一对1200V，100A的IGBT模块串联，模块内置续流二极管，采用2200V，100A的二极管模块进行箝位。采样电路对逆变器输出电压、电流和直流母线电压采样，利用DSP内部自带的A／D转换器进行模数转换，并利用软件控制DSP输出PWM信号，在CPLD内部做逻辑和死区处理。驱动保护电路接收来自CPLD的12路PWM信号来驱动IGBT，并在IGBT短路或过流时，将FAULT保护信号送至DSP，封锁PWM信号。

   假设图l中直流侧两个电容等容量，且电压相等，均为Vdr／2。则A相桥臂输出电压(以0点为参考点)与开关状态的关系如表1所列，(其中1表示开关接通，O表示开关断开)，可见每相均可以输出+Vdr／2，O，一Vdr／2三个电平。

                               
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2 系统抗干扰原理与方法

   要构成电磁干扰需要满足3个条件：干扰源、噪声耦合途径、被干扰设备。耦合途径包括传导耦合和辐射耦合两种。前面已经指出由于三电平逆变器系统的复杂结构，会受到来自系统外部和系统内部自身的干扰，下面主要讨论系统中的传导耦合，并从硬件和软件两个方面给出有效抗干扰措施。


2.l 硬件抗干扰措施

2．1．1 电源输入端口的抗干扰措施

   供电电网输入端口处的干扰主要是传导干扰，包括两方面：一是电网上的干扰通过电源线引入设备，这种干扰可以是来自供电网其他设备产生的传导性干扰，也可以是空间的电磁波在电源线上产生的共模干扰；另一方面主要是由于整流电路本身产生的谐波干扰和电磁噪声，以及由它供电的后级电路产生的电磁噪声以传导耦合形式导入电网，对同一电网内的其他设备产生干扰。

   辅助电源均采用高频开关电源，由于采用了PWM技术，所以其开关器件工作在高频通断状态，这种高频的快速通断过程便会产生高频噪声，并在负载上直接传导电磁噪声(共模、差模两种噪声传导方式)，严重影响数字控制系统正常工作。

   EMI滤波器可以抑制因瞬态噪声或高频噪声措成的干扰．是解决传导干扰十分有效的方法。

   通常所用的EMI滤波器结构如图3所示，其中C1。C2是差模电容L1，L2是共模电感，C3、C4、C5、C6是共模电容。

　

                               
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   但是，这种EMI滤波器结构自身存在着明显的不足：由于两个差模电容C1，C2自身有寄生电感，所以两个寄生电感之间会产生耦合，而且它们又会与共模电感产生耦合。这样，在高频范围会严重影响EMI滤波器的性能。为此，我们采用了改进的结构，如图4所示。

                               
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   在改进的EMI滤波器结构中，两个差模电容采用X型连接，这样做的好处是可以大大减小甚至消除电容中寄生电感引起的耦合，极大地改善了EMI滤波器的高频性能。