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1、电磁兼容论文有源钳位单相全桥逆变电路电磁兼容问题分析有源钳位单相全桥逆变电路电磁兼容问题分析1 电磁兼容概述电磁兼容EMC(Electromagnetic Compatibility)包含两个方面的含义：第 一，电子设备在所处的电磁环境中，能按原有设计要求正常工作。它们应具有一 定的电磁敏感度，以保证他们对电磁干扰具有一定的抗扰度。第二，电子设备自 己产生的电磁干扰不致对它所处的电磁环境造成严重的污染和影响其他设备的 正常运行。对于电磁噪声的分析主要从三个方面入手(1) 干扰源(2) 干扰源耦合路 径(3) 干扰敏感设备。相对应的抑制电磁噪声的影响也主要从三个方面入手 (1) 消弱干扰源的影响
2、(2) 隔离和减弱耦合路径(3) 提高设备的抗干扰能力。本文主要研究了单相有源钳位全桥逆变电路的噪声源，噪声源耦合途径，以 及相应抑制噪声干扰的措施。2 有源钳位单相全桥逆变电路简介单相并网逆变器广泛应用于小功率光伏发电，其优点是结构简单，通态损耗 小。MOSFET具有更高的开关速度和更低的开关损耗，适用于更高的开关频率，然 而其体二极管严重的反向恢复过程在逆变应用场合会带来较大的开关应力以及 动态损耗。为了抑制体二极管的反向恢复可以采用软开关技术。图1为有源钳位的单相全桥逆变拓扑，该电路在直流母线与逆变桥臂之间增 加一个辅助谐振支路。谐振支路由辅助开关Sa、箝位电容Cc与谐振电感Lr组成。
3、其作用是在逆变桥臂主开关动作之前将桥臂电压复位至零，并限制二极管反向恢 复的电流变化率。S1、S2、S3、S4为逆变桥主开关,D1、D2、D3、D4和Da是MOSFET 的体二极管，Crl、Cr2、Cr3、Cr4和Cra是并联在MOSFET两端的谐振电容。每次 同桥臂的二极管与MOSFET换流是利用谐振电感和谐振电容先将MOSFET电压钳位 到零实现ZVON，每次从MOSFET换流到同桥臂的二极管是则采用谐振电容实现 ZVOFF。3 电路设计中的电磁兼容问题3.1 电磁干扰的分析本项目一个开关周期内的电压主要波形如图 2 所示。虽然软开关的谐振电容 电感已经在一定程度上有效抑制了电压和电流的变
4、化斜率。但是开关动作过程仍 会有噪声干扰，由图2 可以看辅助谐振管以及主管在开关动作过程中会有较大的 du/dt,以及较大的di/dt。因此会产生较大的差模和共模噪声干扰。电路的差 模干扰和共模干扰如图3所示，其中共模电流的干扰影响较大分析其共模电流等 效电路图如图 4 所示。izsv图 3 全桥有源钳位电路差模共模干扰传输路径 %j-nnm_l=M_lem0. OllFJZ25Q口匸Enmn图4共模干扰等效电路图3.1.2 控制电路的电磁干扰分析控制电路比较容易受到功率器件的噪声干扰，MOSFET端电压随着开关的通 断快速变化产生的高频噪声，容易向外界产生传到和辐射干扰。同时控制电路本 身的
5、布线以及接地方式都会引起干扰3.2 电磁干扰抑制措施3.2.1 抑制干扰源抑制干扰源的 EMI 通常可以采用缓冲电路的模式以及优化母排设计的方式。 1 本项目采用的有源钳位的全桥逆变电路相比较普通全桥电路上下桥臂终点电 压变化率更小，同时由于谐振电感作用，全桥开关管换流过程中电流变化率也变 低。具体的软开关实现原理是通过谐振电感电容的谐振作用实现ZV0N，通过谐 振电容的作用实现ZVOFF。2由于快的开频率驱动电路仍有较高的du/dt, di/dt,驱动电流环路的寄生 电感会引起较为严重的EMI，因此在母排设计时应该尽可能的缩小环路面积以减 小寄生电感值。D2C3no二 2RZG1R1R33图
6、 5 MOSFET 驱动环路 PCB 布局如图5所示LOOP 1导通状态的电流环路，LOOP2是管段状态下环路。图 6 是驱动板实物图由图 6 可以看出驱动板的实际尺寸小换流面积小，有效地减小了寄生电感3.2.2 噪声屏蔽（1）光耦隔离(b)图 7 驱动结构光耦隔离由于控制电路比较容易受到电磁干扰的影响，可以采用变压器隔离和光耦隔 离的方式实现隔离减小噪声的耦合与干扰。光耦隔离具有如下优点（1）光耦合器 输入输出电路间没有直接联系，也没有共地，光耦被隔离两端寄生电容一般为 2PF,因此能在很高的频率下提供良好的隔离。（2）光耦合器输入阻抗小而干扰源 阻抗大由分压原理，噪声源馈送到光耦合器输入端
7、的噪声电压会很小。 （3）光耦 合器的响应速度极快一般响应延时只有10us左右。本项目采用光耦隔离，实际 应用如图 6 所示。（2）磁环电路中强弱电信号的传输过程中容易受到高频噪声的干扰，为了抑制高频噪 声通常在采样板到调理板，调理板到DSP，以及驱动板的驱动引线上安装磁环。 安装的磁环一般为铁氧体磁环，在高频条件先体现为高阻抗。由于一般的信号线 没有屏蔽层，这些信号线容易成为很好的天线，吸收环境中的高频干扰噪声，这 些噪声将影响有用信号的传输。在安装磁环的条件下能很好地抑制高频噪声通过 并保证有用信号的正常通过。图 8 驱动板和驱动引脚之间的磁环（3）控制电路与主电路的布局 由于强电系统产生的传到辐射干扰会对控制系统产生较大的干扰，布局时应 该尽量保证把两者分开，同时要保证驱动引线的长度尽量短。本项目的控制电路 与主电路布局如图 9 所示。图 9 控制电路布局图4 结论H5 型有源钳位单相全桥逆变电路在效率，结构，开关速度面相比较其他电 路拓扑有较大的优势。但是开关管通断所引起的电磁兼容问题对电路工作的稳定 性有较大的影响，因此在设计和搭建电路的过程中应该提前考虑电磁兼容问题。 本文对于有源钳位单相全桥逆变的电磁干扰进行了分析，同时给出了实际的解决 方案。
