付炜亮;田松亚;勾容;武朝龙
【摘 要】对逆变桥臂中IGBT的Uce电压跳变所引起的共模干扰对驱动器的影响因素进行了分析和验证.建立了含有IGBT驱动器寄生电容的逆变侧共模回路等效模型,推导了流经IGBT驱动器中的共模电流与dUce/dt及驱动器原、副边寄生电容的影响关系方程.设计了一款寄生电容很小的驱动器进行了实验验证,结果与理论分析相吻合.提出的共模电流等效模型和实验结果对大功率变流器中IGBT驱动器的抗干扰及可靠性设计有一定的指导意义.%The common-mode interference factors to IGBT driver caused by the Uce voltage jumping of IGBT in one inverter bridge was analyzed and tested. The main path included parasitic capacitance of IGBT driver and equivalent circuit of common-mode current was put forward for one phase arm. The equation of common-mode current through the IGBT driver was derived,which was influenced by the dUce/dt and parasitic capacitance of IGBT driver. The results coincide with theoretical analysis after the experimental test by using a lower parasitic capacitance IGBT driver. The common-mode current equivalent model and the experimenta l results have direct significance to the anti-interference and reliability design of high-power inverter IGBT driver.
欧广【期刊名称】《电气传动》
【年(卷),期】2017(047)003
【总页数】6页(P37-42)
甲胺磷【关键词】变流器;IGBT驱动器;共模电流;驱动变压器;寄生电容
【作 者】付炜亮;田松亚;勾容;武朝龙
液态镁【作者单位】江苏联合职业技术学院常州技师分院,江苏 常州 213022;河海大学机电学院,江苏 常州 213022;江苏联合职业技术学院常州技师分院,江苏 常州 213022;边防学院教研部,陕西 西安 710108
【正文语种】中 文
【中图分类】TM464
基于脉宽调制技术（PWM）的电压源逆变器是现代工业应用中大功率调速系统的标准解决方案，为实现高效运行，通常采用具有快速通断能力的半导体开关器件（如IGBT）［1］。IGBT在PWM调制过程中产生的du/dt可达到5～15 kV/μs以上［2］，这种IGBT的C，E之间的电压跳变所产生的共模干扰是变流器性能的一个巨大考验。日本小学足球
近几年，针对PWM变流器共模EMI的建模、仿真、预测［3-6］方面的研究有了一定进展，然而，相当部分的研究工作都集中在对系统电机侧的影响上。针对逆变器本身，尤其是共模干扰对驱动器的抗干扰和可靠性影响研究很少。文献［7］中，有对逆变器系统中各寄生电容引起的干扰通路进行建模，但未将IGBT驱动器中相关的寄生电容考虑在内。IGBT驱动器作为变流器的核心部件之一，其输出端直接与IGBT相连接。因IGBT驱动器原、副边需要隔离，这样就必然存在原、副边的寄生电容。IGBT工作时，会有电流通过寄生电容流经驱动器［8］。这种共模电流会因电路不平衡转为差模电流，从而影响驱动器的正常工作，使其可靠性降低，严重时会导致IGBT失效，逆变失败。
针对上述问题，本文对逆变桥臂Uce电压跳变通过逆变器中各个寄生电容所引起的共模干扰模式进行了分析。建立了含有IGBT驱动器寄生电容的逆变侧共模回路等效模型，得出了
流经IGBT驱动器的共模电流影响方式。通过对大功率变流器中IGBT驱动器电源变压器进行设计，完成了驱动器共模电流的影响实验，结果与理论分析相吻合。包括驱动器寄生电容的逆变侧共模电流等效模型和实验结果对大功率变流器中IGBT驱动器的可靠性设计有一定的指导意义。
图1为典型的PWM变频调速系统共模电流示意图。
图1中，Cbus为母线电容，Cbp为母排与变流器柜体之间的等效寄生电容，Cip为逆变模块与变流器柜体之间的等效寄生电容，Ccg为输出电缆和地平面之间的等效寄生电容，Cmg为电机与电机保护罩之间的等效寄生电容，变流器机壳和电机护罩都与大地连接。变频器输出电压du/dt产生的共模电流会通过Ccg，Cmg流到3#地；变频器逆变侧电压du/dt产生的共模电流会通过Cip，Cbp流到2#地；所有共模电流经1#地，接入供电变压器次级侧接地中点N返回到变频器内部［9］。地平面成为所有共模电流流经的主通路。
为分析共模电流在逆变侧的主要路径及对驱动器的影响，本文主要提取逆变侧的1相桥臂相关部件与机壳地之间的寄生电容及IGBT内部的关键寄生参数。
图2是具有寄生电容的A相桥臂结构图，主要由母线电容，逆变开关模块IGBT1，IGBT2，IGBT散热器，负载电感L，驱动器（Driver-1），本地控制板，开关电源及相关寄生电容组成。
在整个逆变器系统中，逆变器的各个部件分别以不同的机构方式安装在机壳内，为了安全考虑，机壳通常都会接地。开关电源和本地控制板在安规标准设计中，有安规电容与机壳相连，如图2中CY1,CY2所示。同时在空间上，他们都存在相对与机壳的寄生电容CPW，CCS。与母线电容连接的直流正负母排具有很大的面积，因此正母线对机壳会有寄生电容Cbp，负母线对机壳会有寄生电容Cbn。图2中，对于高频共模电流来说，直流母线电容Cbus相当于短路，因此可以认为Cbp，Cbn相并联，等效为Cb。驱动器原、副边供电的隔离和驱动信号的隔离，一般会用变压器隔离或者变压器加光耦进行隔离，这样就必然存在原、副边的寄生电容Cps。驱动器原边对机壳也存在空间寄生电容Cd。IGBT1和IGBT2作为统一封装模块中的开关管，会整体固定在面积比较大的散热器上以便散热，IGBT模块和散热器之间有寄生电容Cih，散热器对机壳存在空间寄生电容Ch。IGBT芯片向外端子连接时，金属引线存在一定的寄生电感LIGBT，同时有寄生电阻RIGBT。这样就形成了以机壳（PE）为公共点的寄生系统。
在正常的工作过程中IGBT1，IGBT2为具有死区的互补工作状态。在IGBT1和IGBT2都关闭且没有负载电流流过时，桥臂中点A为1/2Ubus的电压。当IGBT2开通后，A点与E点将被IGBT2导通连接，A点的电压会降至负母线电压Ubus-，为0 V。当IGBT2关断后，因电感电流连续，IGBT1的反向并联二极管开通续流，A点的电压被二极管钳位到Ubus+，相对于E点，A点的电压跳变了Ubus的电压。可以看出，A点的电压跳变非常剧烈，即dUce/dt很高，跳变次数和开关频率相关。
因为系统中各个寄生电容C的存在，逆变回路中会产生共模干扰电流Icm,共模电流的大小为
聚合mdi逆变桥臂的共模等效电路如图3所示。
中国农业发展集团总公司图3a为该逆变桥臂的共模干扰通路，其中，Uce为跳变源，A点为桥臂的中点，E点为稳定的母线点。共模回路①中的共模电流Icm1为IGBT、散热器、机壳之间形成，Cih和Ch串联后再和RIGBT，LIGBT相串联，接到A点和G点。Cih和Ch可以简化为1个电容C2，如图3b中所示，一般为pF级。共模回路②中的共模电流Icm2为驱动器和本地控制板与机壳之间形成。A点直接与驱动器副边连接，经过Cps后与Cd，CY（CY1//CY2），CCS，CPW的并
联支路串联接至G点。其中，Cd，CCS，CPW为空间寄生电容，一般为pF级，CY（CY1//CY2）为安规电容，一般为nF级。因驱动器原、副边的的寄生电容Cps一般也为pF级，因此这一条支路可以等效为CPS1，如图3b中所示。2条支路并联汇至机壳PE后通过Cb连接至跳变源的E点，总的共模电流Icm为Icm1和Icm2之和。图3b为该逆变桥臂的共模电流等效电路，根据戴维南定理和弥尔曼定理，可得出共模电流Icm2的S域表达式为
在图3b所示共模电流的总通路中，Cb为一重要的阻抗，这个参数需要在整个系统布局时就统筹考虑，尽可能将其减小。文献［10］对这2个参数都进行了测量，给出Cb的值为300 pF，C2的值为1 200 pF。根据IGBT的数据手册可以查到RIGBT和LIGBT的值，以Infineon公司的FZ600R12KP4为例，RIGBT=0.5 mΩ，和LIGBT=16 nH。将其代入式（3）、式（4）得出：
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