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逆变电路基础知识

一、逆变器基础知识

1.1、逆变器的定义:

逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用,把直流电能转变成交流电能的一种变换装置,是整流变换的逆过程。逆变器也称逆变电源,是光伏太阳能、风力发电、电动汽车、变频空调、变频洗衣机、变频冰箱、电动工具等中的重要部件。

三相逆变电路

1.2、逆变器分类:

逆变器根据输出波形、主电路拓扑结构、输出相数等分类,有多种逆变器:

按输出电压波形分类:

  • 方波逆变器
  • 正弦波逆变器
  • 阶梯波逆变器

按输出交流电相数:

  • 单相逆变器
  • 三相逆变器
  • 多项逆变器

按主电路拓扑结构分类:

  • 推挽逆变器
  • 半桥逆变器    
  • 全桥逆变器

其它分类:

  • 按输入直流电源性质分类:电压源型逆变器、电流源型逆变器。
  • 按功率流动方向分类:单向逆变器、双向逆变器。
  • 按负载是否有源分类:有源逆变器、无源逆变器。
  • 按直流环节特性分类:低频环节逆变器、高频环节逆变器。
  • 按输出交流电的频率分类:低频逆变器、工频逆变器、中频逆变器、高频逆变器。
  • 按操作模式分类:独立逆变器、并网逆变器、双峰逆变器。

独立逆变器    

并网逆变器

双峰逆变器

1.3、单相电压源逆变器:

1.3.1、推挽式逆变电路

    

推挽式逆变电路

工作原理:

单相推挽式逆变器的拓扑结构,该电路由两只共负极的功率开关元件和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成。VT1导通,VT2截止,变压器输出端感应出正电压,VT2导通,VT1截止,变压器输出端感应出正电压。

推挽电路波形

若负载为感性负载,则变压器内的电流波形连续,输出电压、电流波形如下图:

推挽电路感性负载波形

推挽式方波逆变电路的电路拓扑结构简单,两个功率管可共地驱动,功率管承受开关电压为2倍的直流电压,适合应用于直流母线电压较低的场合,变压器利用率较低,驱动感性负载困难。

1.3.2、半桥式逆变电路    

半桥式逆变电路

工作原理:

半桥式逆变电路使用两只串联电容的中点作为参考点,VT1开通时,电容C1上的能量释放到负载上;而当VT2导通时,电容C2上的能量释放到负载上。由于电容两端的电压相同,不会产生磁偏或直流分量,非常适合后级带动变压器负载。

电路工作在工频(50Hz/60Hz)时,电容必须选取较大容量,使电路成本上升,该电路主要用于高频逆变场合。    

电流环路分析:

当开关VT1闭合,VT2断开时,电流方向如上图图(1)所示;当当开关VT2闭合,VT1断开时,开关VT2不能立即闭合,在这瞬间电感电流的方向不能突变,此时电流流过VT2体二极管续流。

电感电流过零开关VT2闭合,电感电流反向流过开关VT2,当开关VT2断开VT1再次闭合时,同理开关VT1不能立即闭合,同前述分析电感电流不能突变,电流流过VT1体二极管续流,之后重复以上开关状态。

开关管体二极管提供反馈能量通道,同时此过程也是负载电流的续流过程。逆变电路中的二极管可以称为反馈二极管或续流二极管。    

输出电压电流波形

1.3.3、单相全桥式逆变电路

全桥式逆变电路

电流环路分析:

全桥式逆变电路工作原理同半桥类似,电流环路分析如下:

    

1.4、三相逆变器:

三相逆变电路

纯阻性负载时工作原理:

在纯电阻负载下,IGBT的体二极管不导通,一个周期共6种不同工作模式,6种不同工作模式下均有三个开关同时导通,上桥臂两个开关导通下桥臂一个开关导通;或者上桥臂一个开关下桥臂两个开关同时导通。

工作过程(一)T5-T6-T1导通时电流环路

工作过程(二)T6-T1-T2导通时电流环路    

工作过程(三)T1-T2-T3导通时电流环路

工作过程(四)T2-T3-T4导通时电流环路    

工作过程(五)T3-T4-T5导通时电流环路

工作过程(六)T4-T5-T6导通时电流环路

感性负载时工作原理:

在阻感负载下,IGBT的体二极管因为电感电流不能突变而导通,形成续流环路。感性负载其一个周期有12种不同模式。整个过程开关顺序为    

工作过程(一)T5-T6-D1导通时电流环路

    

工作过程(二)T5-D6-D1导通时电流环路

在感性负载下,由于电感两端电压不能突变,开关管体二极管会导通形成续流环路,在不同的开关周期下导通的体二极管不同,其电流环路如上图所示。

工作过程(三)T5-T6-D1导通时电流环路    

工作过程(四)T5-T6-D1导通时电流环路

其它开关周期,其电流环路类似以上开关周期,如此循环往复执行,理想的情况下,每只开关参数完全相同,实际上会存在差异。

二、逆变器噪声源与耦合路径分析

2.1、功率器件开关噪声

逆变电路根据其工作原理可知,存在MOS管导通构成的电流环路,以及体二极管构成的续流环路,其主要噪声来源于功率开关器件的开关噪声:开关MOS管、体二极管。    

功率器件开关噪声

2.2、寄生参数引起的振荡噪声

功率开关器件本身的寄生电容充放电时就会产生电流振荡,其di/dt如果不加以限制就会引起严重的辐射发射问题。功率开关器件本身的寄生电容与PCB布线寄生电感形成的高频振荡也是导致辐射发射问题的重要原因之一。

寄生振荡产生的噪声

2.3、驱动信号噪声    

驱动信号噪声频谱

功率器件开关控制通常是开关控制IC完成,开关频率、占空比、驱动信号幅度、驱动信号本身携带噪声情况都由芯片选型确定。在性能指标允许的情况下选择开关频率较低、驱动信号幅度小、噪声干扰小的控制芯片,EMC测试则更容易通过。

2.4、噪声耦合路径分析

2.4.1、差模噪声耦合路径分析

差模噪声干扰主要是由有用信号电流环路、功率器件开关频率以及高次谐波共同构成,

耦合路径相对固定,分析起来相对容易,下图红色代表噪声旁路环路,蓝色代表差模噪声LISN检测环路。

全桥逆变差模噪声耦合路径分析

三相逆变差模噪声耦合路径分析

三相逆变电路差模噪声耦合路径相对于单项全桥逆变电路来说要复杂很多,存在多种形式(6个MOS管交替导通/关断),但是LISN检测差模噪声的原理同全桥逆变。

2.4.2、共模噪声耦合路径分析

v全桥逆变电路共模噪声耦合路径分析    

全桥逆变共模噪声耦合路径分析(一)

全桥逆变共模噪声耦合路径分析(二)

全桥逆变共模噪声耦合路径分析:

共模噪声主要通过共模电感衰减、Y电容为共模噪声旁路回到源端提供回流路径,降低源端噪声可以降低共模电流,增大共模电流环路阻抗可以抑制共模噪声。

共模噪声,尤其是高频共模噪声与分布参数的影响高度关联,分布电容为高频噪声的耦合提供路径。而消除高频噪声耦合的方法是降低分布电容,以及提供高频噪声旁路回路。

三相逆变电路共模噪声耦合路径分析    

三相逆变共模噪声耦合路径分析

三相逆变共模噪声耦合路径分析:

三相逆变电路共模噪声耦合路径如上图所示,开关管交替导通时其耦合路径基本相似。共模噪声主要通过共模电感衰减、Y电容为共模噪声旁路回到源端提供回流路径,降低源端噪声可以降低共模电流,增大共模电流环路阻抗可以抑制共模噪声。

2.5、如何降低噪声耦合

2.5.1、全桥逆变噪声耦合路径优化设计:

功率开关器件散热片接地设计优化

调整功率器件散热片接地方式优化共模耦合路径:

功率开关器件与散热片之间容性耦合,散热片对参考地平面之间的分布电容,为高频噪声耦合提供路径,是高频噪声电流未按规划路径回流,导致严重的EMC问题。在散热片与功率开关器件接地端增加连接,可降低散热片与参考地之间的高频噪声电流。    

下管增加RC吸收提供高频噪声电流旁路

全桥逆变下管增加RC吸收电路优化高频噪声耦合路径:

对于全桥逆变电路在下管增加RC吸收电路,即可以吸收功率开关管关断时产生的电压尖峰,也可以为高频噪声提供旁路路径。如图所示蓝色路径为差模噪声耦合路径,绿色是共模噪声耦合路径,黄色增加的路径即为差模噪声提供旁路的同时也为共模噪声提供旁路。

上管D极到下管S极增加高频旁路电容

全桥逆变电路增加高频旁路电容旁路高频环路:

全桥逆变电路在上管D极与下管S极之间增加高频旁路电容,提供高频噪声耦合路径的旁路,缩小高频环路面积。

热地对参考地平面之间增加Y电容降低共模电流

全桥逆变电路增加高频旁路电容旁路高频环路:

在热地与参考地平面(冷地或者PE地)之间增加Y电容,降低高频电位差,从而降低高频噪声电流,即降低高频共模电流。

2.5.2、三相逆变噪声耦合路径优化设计:    

三相逆变电路电流环路优化设计

三相逆变电路噪声耦合路径优化措施如下:

根据其噪声耦合路径分析,其优化措施主要有:增加高频旁路电容如图中黑体电容;在下管增加RC吸收旁路高频噪声;以及在热地与参考地之间增加Y电容旁路高频电流噪声。三相逆变功率开关器件的散热片处理参考全桥逆变电路,也可以通过在功率开关管与散热片之间增加导热硅胶片的方式降低容性耦合。

2.5.3、PE地引入对噪声耦合的影响分析:

PE地线对共模噪声耦合的影响分析(一)    

PE地线引入对共模噪声耦合的影响分析:

在没有引入PE地线时,共模噪声通过Y电容旁路、共模电感衰减流到LISN后,经过PE参考地平面、分布电容或者Y电容(热地与参考地之间跨接Y电容)耦合返回到噪声源。当参考地平面与PE参考地直接相连时,实际上是降低共模噪声耦合路径中的阻抗,使流过LISN的同时共模电流增大,引发严重的电源端传导测试问题。

引入PE地线时,由于PE地线与系统参考地平面之间存在高频电位差,使参考地平面、L线、N线、PE地线之间引入新的共模噪声干扰,此噪声干扰导致L线、N线上的共模电感失去滤波效果。

PE地线对共模噪声耦合的影响分析(二) 

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