【導(dǎo)讀】現(xiàn)如今設(shè)計師追求的設(shè)計都是體積小，功率大。順應(yīng)這種發(fā)展趨勢，高頻逆變電源應(yīng)運(yùn)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(nèi)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(shè)計，不僅要求能夠?qū)ν獠慨a(chǎn)生的干擾進(jìn)行消除，還要將高頻逆變器內(nèi)部的干擾進(jìn)行抵消。這樣既可以逆變器本身就可以穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)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(jìn)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(nèi)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(dǎo)致逆變器5v電源嚴(yán)重干擾。這些嚴(yán)重的可以導(dǎo)致微處理器死機(jī)，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(dāng)維護(hù)設(shè)備時，靜電會通過設(shè)備的接觸面或者端子連接處進(jìn)入逆變器的控制電路，在很短時間內(nèi)出現(xiàn)數(shù)千伏的高壓脈沖群，經(jīng)過機(jī)殼或者地線進(jìn)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(yán)重會使逆變器重啟或死機(jī)。
逆變器內(nèi)部干擾分析
內(nèi)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(yùn)行過程中的高速開關(guān)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(guān)電源，電源中的變壓器、主功率管工作在高速開關(guān)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(guān)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(guān)管開關(guān)過程中帶來的電磁干擾，當(dāng)igbt通過大電流時，具有很大di/dt和du/dt，產(chǎn)生的開關(guān)噪聲通過底線，分布電容，分布電感等進(jìn)入控制電路，導(dǎo)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(shè)計研究
外部干擾的處理
對于外部的電磁干擾，主要的預(yù)防是在電源進(jìn)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(zhì)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(jī)控制裝置的保護(hù)地與斷路器等強(qiáng)電的保護(hù)地分開，減少串?dāng)_。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(dǎo)到大地之中。在控制電路的電路板上設(shè)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(jìn)線電壓比較高，當(dāng)遇到到泵升電壓情況，母線電壓瞬間可以達(dá)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(jìn)線端的浪涌和濾波處理妥當(dāng)[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(shè)計最好采用軟開關(guān)控制技術(shù)，可以有效的降低功率管開關(guān)是產(chǎn)生的高頻振蕩。在電源進(jìn)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。
[page]
電路板設(shè)計
電路板布局
電路板設(shè)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(dú)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(qiáng)電和弱點(diǎn)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(dú)立供電。
控制電路的地線設(shè)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(dú)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(jìn)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(diǎn)接地和多點(diǎn)接地，以及混合接地。單點(diǎn)并聯(lián)接地就是將各個電路模塊接到一個參考點(diǎn)上，適用于1mhz以下的系統(tǒng)。多點(diǎn)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(dāng)外部的靜電等騷擾進(jìn)入電路板板可以通過低阻抗的接地回路進(jìn)入大地。
電路板走線設(shè)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(kuò)了ram、同時還擴(kuò)展了ad和da轉(zhuǎn)換芯片，為了提高采樣和轉(zhuǎn)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(dá)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(zhuǎn)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(dāng)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(qū)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(shè)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(yùn)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(guān)鍵節(jié)點(diǎn)則需要在設(shè)計之初就充分考慮，否則在產(chǎn)品完成之后再進(jìn)行修改就會對整體的進(jìn)度造成非常大的影響，直接影響成本。
所以在設(shè)計時，要學(xué)會從根本出發(fā)來考慮，思考如何將高頻逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)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。
相關(guān)閱讀：
X光機(jī)中，高頻逆變電源是如何控制燈絲和電壓的？
技術(shù)詳解：高頻逆變電源中后級電路設(shè)計
電路講解：高頻逆變電源中的前級開閉環(huán)電路設(shè)計
