【導讀】現(xiàn)如今設計師追求的設計都是體積小，功率大。順應這種發(fā)展趨勢，高頻逆變電源應運而生。但是如何在體積又小，功率又大的情況下還能維持穩(wěn)定性又成了挑戰(zhàn)難題。本文就來解析高頻逆變電源的內外干擾。
高頻逆變器的穩(wěn)定性好壞主要取決于電磁兼容的設計，不僅要求能夠對外部產(chǎn)生的干擾進行消除，還要將高頻逆變器內部的干擾進行抵消。這樣既可以逆變器本身就可以穩(wěn)定運行，又可以滿足電磁輻射的要求，具有很大的使用價值。
逆變器外部干擾分析
外部主要是來自于逆變器周圍工況環(huán)境中的電磁干擾，由于逆變器主要應用于工業(yè)現(xiàn)場之中，周圍存在著大量的干擾和輻射，比如斷路器的開合，由于斷路器拉弧帶來的瞬態(tài)脈沖群可以通過空間、電纜和接地系統(tǒng)進入逆變器的電源電路和控制電路，可以使電源供電在幾微秒內變?yōu)?v，并產(chǎn)生劇烈震蕩，鋁廠車間22kv變電所空開合閘時導致逆變器5v電源嚴重干擾。這些嚴重的可以導致微處理器死機，外部程序存儲器的程序丟失。
除了空間電磁騷擾，靜電也是一個重要的騷擾，當維護設備時，靜電會通過設備的接觸面或者端子連接處進入逆變器的控制電路，在很短時間內出現(xiàn)數(shù)千伏的高壓脈沖群，經(jīng)過機殼或者地線進入控制系統(tǒng)和電源，影響逆變器的控制電路，輕者使逆變器誤報故障，嚴重會使逆變器重啟或死機。
逆變器內部干擾分析
內部干擾主要來自三個方面。
一是控制電路中高速信號線、時鐘信號線和電子元器件的輻射，tms320f28335擁有150mhz的時鐘頻率，運行過程中的高速開關電壓和電流情況下，pcb的銅線就會變成天線，輻射電磁能量，可以從電路板的一個斷面輻射到另一個斷面，形成干擾。
另一方面就是控制電路供電電源的電磁干擾。逆變器供電電源多是開關電源，電源中的變壓器、主功率管工作在高速開關過狀態(tài)，電壓和電流接近方波，含有豐富的高次諧波。同時，變壓器和主功率管在開通和關斷時呈現(xiàn)非理想狀態(tài)，常常產(chǎn)生高頻高壓的諧振震蕩，通過散熱片、變壓器等向控制電路輻射高頻噪聲。
第三方面就是主電路中整流部分和逆變部分開關管開關過程中帶來的電磁干擾，當igbt通過大電流時，具有很大di/dt和du/dt，產(chǎn)生的開關噪聲通過底線，分布電容，分布電感等進入控制電路，導致控制電路的邏輯混亂并干擾電壓電流等采樣的模擬信號，影響控制精度。
抗干擾設計研究
外部干擾的處理
對于外部的電磁干擾，主要的預防是在電源進線上增加濾波裝置和浪涌裝置，將高頻干擾濾除，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。同時逆變器的自身要安裝屏蔽裝置，將從空間等媒質傳到來的干擾降到最低，現(xiàn)場條件允許，可以將逆變器等微機控制裝置的保護地與斷路器等強電的保護地分開，減少串擾。對于靜電，主要是控制電路有良好的接地系統(tǒng)，通過接地系統(tǒng)將靜電快速的傳導到大地之中。在控制電路的電路板上設置環(huán)形接地通道，電路各個模塊接地通過電阻和高頻電容或者磁珠并聯(lián)與環(huán)形接地通道跳接，然后將環(huán)形接地通道接入柜體的等電位接地銅排上，接地線要短，接觸良好。為了防止芯片在放電過程中損壞，在芯片電源管腳處安裝tvs，并就近接地。總之，接地阻抗要低，這樣靜電釋放就快速，不會產(chǎn)生電弧。
電源的處理
逆變器的供電電源一般取自三相不可控整流的直流母線，進線電壓比較高，當遇到到泵升電壓情況，母線電壓瞬間可以達到700v~800v，所以電源首先具有很寬的輸入電壓。電壓如果三相交流進線端的浪涌和濾波處理妥當[5]，那么經(jīng)過直流母線濾波電容之后的電源比較平穩(wěn)。電源設計最好采用軟開關控制技術，可以有效的降低功率管開關是產(chǎn)生的高頻振蕩。在電源進入控制板處安裝濾波電容，一般取100μf的電解電容或者鉭電容，同時配合一個0.1μf的瓷片電容，為了防止靜電和浪涌，在電源處安裝壓敏電阻或者tvs等。
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電路板設計
電路板布局
電路板設計主要包括電路板層數(shù)的選擇，元器件的選型，元器件的布局和合理的布線。一般如果條件允許，推薦使用多層電路板。多層板比雙面板更能避免共阻抗耦合，提供屏蔽以及有利于多電平的合理分配。多層板中間獨立的電源層和底層可以使相同功能的系統(tǒng)處于以等電勢的環(huán)境中，對噪聲和干擾有著很好的抑制效果，一般4層板就可以滿足要求。逆變器是一個強電和弱點綜合的系統(tǒng)，合理的布局，可以降低不同器件連接而產(chǎn)生的噪聲。由圖1可知，由于控制系統(tǒng)包括了控制器、通訊、ad、da、通訊、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸入等模塊，為了保證各個模塊互不干擾，都采用獨立供電。
控制電路的地線設計
圖1 控制系統(tǒng)接地示意圖
所有的控制信號都是從電源出發(fā)，最終回到地中，為了保證信號在傳輸過程中不受干擾，信號回路接地阻抗越小越好。多層電路板具有一個單獨的地平面層，放置位置緊鄰元器件最多的一層，這就為信號的快速回流提供了一個快速低阻抗的通道。在逆變控制電路中，地平面根據(jù)不同的功能和供電進行分割。為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，這些地需要連接到一塊。接地的方式主要有單點接地和多點接地，以及混合接地。單點并聯(lián)接地就是將各個電路模塊接到一個參考點上，適用于1mhz以下的系統(tǒng)。多點接地就是每個電路模塊就近接到同一個參考地上，這種接地方式為各個電路模塊提供了低阻抗接地回路，但是對于50hz的干擾卻無法消除。由于tms320f28335工作在150mhz，而且逆變器輸入為380v/50hz工頻交流電，采用混合接地方式
將各個地分別通過一個100nf的電容和100ω的電阻與系統(tǒng)地相連接，再通過銅柱與柜體連接，這樣當外部的靜電等騷擾進入電路板板可以通過低阻抗的接地回路進入大地。
電路板走線設計
電路板布線，除了基本pcb的布線規(guī)則以外，還要考慮實際的電路布局和功能。控制系統(tǒng)擁有豐富的外部接口，同時還外擴了ram、同時還擴展了ad和da轉換芯片，為了提高采樣和轉換速率，均采用并行接口，這些數(shù)據(jù)線和地址線的最高讀取速度可達66.7mhz，所以這些器件盡量的靠近dsp，縮短布線長度。電路中的模擬信號和數(shù)字信號一定要分開，防止信號線交叉，影響ad的轉換精度。對于高速的時鐘電路、低位地址線、串口線等，為了信號完整性，串一個50ω的電阻，減少電平上升時間，降低消耗。
去耦電容布局
當電路中控制信號電平信號的跳變時，尤其是在上升沿比較陡峭時，電流比較大，這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會產(chǎn)生反彈），這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，為了抑制噪聲，在芯片靠近供電電源的管腳放置一0.1μf的電容，既可以做芯片的蓄能電容，又可以濾除芯片產(chǎn)生的高頻噪聲。
控制系統(tǒng)設計了豐富的外部接口電路，包括數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、通訊等，這些接口均采用光耦隔離，有效的將外部的干擾信號濾除，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
從以上的分析中可以看出，想要提高高頻逆變器的可靠性，需要多方面的知識綜合考慮。在電磁兼容的之外還要考慮散熱與仿真等因素。而這些關鍵節(jié)點則需要在設計之初就充分考慮，否則在產(chǎn)品完成之后再進行修改就會對整體的進度造成非常大的影響，直接影響成本。
所以在設計時，要學會從根本出發(fā)來考慮，思考如何將高頻逆變器的結構設計的更加合理，以便于處理好干擾的同時，解決逆變器本身的輻射問題。
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