光伏逆變器內(nèi)部電磁干擾抑制電路研究

李雅靜，鄭宏興，劉新月

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222）

目前，人類(lèi)所面臨的重大問(wèn)題是能源短缺和環(huán)境污染，加快可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用，將會(huì)逐步克服這些困難，因此，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用受到了人們的重視。近年來(lái)，太陽(yáng)能光電技術(shù)快速發(fā)展，發(fā)電裝置以年平均16%的幅度遞增。其中一個(gè)重要的組件就是把光伏電池電壓逆變成標(biāo)準(zhǔn)的正弦單相220 V/50 Hz的交流電壓的裝置，稱為太陽(yáng)能光伏逆變器。對(duì)于中小功率光伏逆變器，由于系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間處于相對(duì)正常的中等載荷狀態(tài)，這種工作狀態(tài)使自身各部位的電磁干擾問(wèn)題往往被忽略，設(shè)計(jì)者更多的是關(guān)心輸入端口的傳導(dǎo)騷擾和輸出端口的諧波控制。這就會(huì)造成重載下工作不正常甚至出現(xiàn)炸管的現(xiàn)象，這種干擾成為系統(tǒng)的重大隱患。本文通過(guò)分析重點(diǎn)部位的電磁干擾問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)抑制措施，并在一款3 kW光伏離網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了這種設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)可有效增加系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 光伏離網(wǎng)逆變器系統(tǒng)

光伏離網(wǎng)逆變器系統(tǒng)[1]如圖1所示。

圖1 光伏離網(wǎng)逆變系統(tǒng)框圖

圖1中整機(jī)設(shè)計(jì)采用數(shù)字控制方式，主要由核心控制器（DSP）、驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、全橋逆變網(wǎng)絡(luò)、采樣網(wǎng)絡(luò)和輔助電源網(wǎng)絡(luò)組成。采用Microchip公司的dsPIC33芯片實(shí)現(xiàn)雙瞬時(shí)值算法[2]，完成單極性脈寬調(diào)制（PWM）下的全橋電路設(shè)計(jì)，其中PWM1H、PWM1L控制左臂的上下臂的PWM輸出，PWM2H、PWM2L控制右臂的上下臂的PWM輸出，以上信號(hào)再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)全橋。整個(gè)逆變器系統(tǒng)抑制自身電磁干擾的考慮就貫穿在這幾個(gè)部分的設(shè)計(jì)中。

2 電源系統(tǒng)電磁干擾分析

光伏逆變器內(nèi)部需要多路電源，隔離型反激式電源是首選[3]。采用多路輸出反激電源控制器LT3748設(shè)計(jì)了如圖2所示的電源，實(shí)現(xiàn)了主、副端隔離。傳統(tǒng)反激式電源變換器往往需要一個(gè)單獨(dú)的變壓器繞組或光耦反饋輸出電壓的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的閉環(huán)穩(wěn)壓控制，而用LT3748實(shí)現(xiàn)的多路輸出電源無(wú)需光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組等3個(gè)部分，大大簡(jiǎn)化了隔離型反激式電源的設(shè)計(jì)。

圖2所示的電源系統(tǒng)在電磁干擾處理上采用了如下手段：

（1）數(shù)字地和模擬地分開(kāi)。將模擬部分的+15 V（供功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）和數(shù)字部分的+15 V、-15 V（供數(shù)字采樣系統(tǒng)）、+12 V（供風(fēng)扇系統(tǒng)）割離，減少了電源網(wǎng)絡(luò)的共模干擾。

圖2 多路輸出反激電源電路圖

（2）在電源芯片電壓入口加入有共模電感L1和電容C1組成的低通濾波電路，防止開(kāi)關(guān)干擾帶來(lái)的電源輸入端不穩(wěn)造成的電源系統(tǒng)非正常工作。

（3）在變壓器輸入端加入R1、C3、D1組成的RCD吸收電路，減少因?yàn)樽儔浩髀└薪柚娫幢旧淼拈_(kāi)關(guān)控制造成的電源變壓器入口電磁干擾。

另外，對(duì)于外信號(hào)的引入和系統(tǒng)的信號(hào)輸出，也需要有隔離的+5 V電源。系統(tǒng)采用了耀華電源公司的DY05S05-1W，實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬電路間的直流隔離。

3 驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)電磁干擾分析

驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)電磁干擾主要發(fā)生在數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)部分和模擬驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器之間，體現(xiàn)為數(shù)字驅(qū)動(dòng)單極性脈寬調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量下降（在一定位置出現(xiàn)小的振蕩干擾），直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為抑制共模干擾，需要在驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[5-6]中也加入隔離。本設(shè)計(jì)采用IR2214作為全橋驅(qū)動(dòng)器，為減少共模干擾，實(shí)現(xiàn)大功率下的有效工作，對(duì)驅(qū)動(dòng)單極性脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了信號(hào)隔離。對(duì)于此類(lèi)數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離一般有2種方式：光耦隔離和磁耦合隔離。其中光耦的代表芯片有6N137，磁耦合的代表芯片有ADUM2401。磁耦合芯片速度快（支持10 Mbit/s的傳輸速率），功耗低，但其價(jià)格昂貴?？紤]到價(jià)格因素且系統(tǒng)單極性脈寬調(diào)制速度為15 kHz，設(shè)計(jì)中采用了美國(guó)AVAGO Technology公司的HCPL-M600高速光耦。

圖3 抑制電磁干擾的驅(qū)動(dòng)電路網(wǎng)絡(luò)

圖3 給出了全橋單側(cè)臂的驅(qū)動(dòng)原理圖，其中控制器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)HIN1和LIN1通過(guò)光耦U1002和U1003的隔離，并經(jīng)過(guò)反相器U1004的反向輸出給驅(qū)動(dòng)器U1001，U1001輸出上管的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)HOP、HON與下管的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)LOP、LON，傳遞給后級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管組成的全橋電路。

4 采樣網(wǎng)絡(luò)電磁干擾分析

光伏逆變器系統(tǒng)的主要采樣信號(hào)有6個(gè)，名稱和用途如表1所示。

表1 光伏逆變器采樣信號(hào)

對(duì)于采樣而言，電磁干擾帶來(lái)的問(wèn)題就是采樣信號(hào)不準(zhǔn)以及引入濾波帶來(lái)的采樣點(diǎn)延時(shí)問(wèn)題。本系統(tǒng)通過(guò)有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)數(shù)字濾波和單極性脈寬輸出方式的優(yōu)選，有效地抑制了電磁干擾對(duì)系統(tǒng)采樣的影響。

（1）如表1所示，采樣信號(hào)均為工頻信號(hào)，傳統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)的采樣信號(hào)高頻抑制方法是在具體采樣電路中加入低通濾波器濾去信號(hào)中疊加的高頻成分，而對(duì)于地線上的干擾卻無(wú)能為力，而且引入了固定的采樣點(diǎn)延時(shí)，算法上一般靠預(yù)測(cè)和前饋補(bǔ)償去彌補(bǔ)。這里采用數(shù)字濾波的方式，充分利用dsPIC單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理能力，用過(guò)采樣的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，參考代碼如下：

系統(tǒng)采用A/D中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣和算法處理，其中A/D中斷由單極性脈寬調(diào)制周期時(shí)鐘觸發(fā)（每秒15 000次）。為提高采樣精度，逆變輸出數(shù)據(jù)（電壓和電流）未直接采用dsPIC A/D中斷返回?cái)?shù)據(jù)，而是讀取外設(shè)的12位串行A/D的返回值，其他數(shù)據(jù)仍采用A/D中斷返回?cái)?shù)據(jù)。如代碼所示，為有效減少干擾，采用2次讀取數(shù)據(jù)求平均值的方式實(shí)現(xiàn)了最簡(jiǎn)單的有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)均值濾波，濾波后的數(shù)據(jù)提供給算法實(shí)現(xiàn)單元。以上措施對(duì)抗兆赫茲級(jí)的高頻干擾有一定改善效果。

（2）dsPIC的單極性脈寬調(diào)制輸出工作方式如圖4（a）所示的邊沿對(duì)齊方式和圖4（b）所示的中心對(duì)齊方式。由圖4可見(jiàn)，邊沿對(duì)齊方式的單極性脈寬調(diào)制時(shí)鐘周期信號(hào)（出發(fā)A/D中斷）與輸出的單極性脈寬調(diào)制信號(hào)的變化沿在時(shí)間上重合，這樣采用了這種模式時(shí)采樣點(diǎn)就落在了單極性脈寬調(diào)制變化沿的附近，而單極性脈寬調(diào)制信號(hào)的上升或是下降沿（可用軟件設(shè)定哪一個(gè)與單極性脈寬調(diào)制周期同步）帶來(lái)的瞬態(tài)電磁開(kāi)關(guān)干擾串入地線或直流母線上就會(huì)對(duì)采樣過(guò)程帶來(lái)較大影響，降低信號(hào)的準(zhǔn)確性。所以在系統(tǒng)采樣中優(yōu)先采用中心對(duì)齊模式。

圖4 PWM輸出模式

5 逆變網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計(jì)中的光伏逆變器是功率逆變器，逆變網(wǎng)絡(luò)采用全橋設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的等效全橋電路如圖5所示。

圖5 逆變?nèi)珮螂娐肥疽鈭D

圖5 中，場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q3是全橋的2個(gè)上臂，場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q4是全橋的2個(gè)下臂。Rg1—Rg4是場(chǎng)效應(yīng)管Q1—Q4的基極驅(qū)動(dòng)電阻，系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的輸出HOP1、LOP1、HOP2、LOP2對(duì)4個(gè)開(kāi)關(guān)管輪流驅(qū)動(dòng)，達(dá)到將母線電壓轉(zhuǎn)換為正弦波電壓（A、B點(diǎn)電壓）的逆變效果。C1、D1、R1組成場(chǎng)效應(yīng)管Q1的RCD吸收電路（同理，C2、D2、R2，C3、D3、R3，C4、D4、R4分別組成場(chǎng)效應(yīng)管Q2、Q3、Q4的吸收電路），主要目的是抑制場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)造成的母線沖擊。

在驅(qū)動(dòng)時(shí)序上，采用了如圖6所示的正弦脈寬調(diào)制單極性控制方式，相對(duì)于雙極性控制方式諧波少、電磁干擾小。

圖6 單極性正弦脈寬調(diào)制控制方式時(shí)序圖

圖6 中，電磁干擾主要發(fā)生在場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)時(shí)刻，尤其需要關(guān)注如t1—t4的上管開(kāi)啟的時(shí)刻，因?yàn)檎颐}寬調(diào)制控制信號(hào)打開(kāi)過(guò)程中引入的電磁干擾會(huì)造成下管如Q2的柵源電壓Vgs和和漏源電壓Vds變化，有可能造成下管的誤操作。因此，在設(shè)計(jì)中除各場(chǎng)效應(yīng)管的RCD吸收電路外還采用了以下措施控制電磁干擾：

（1）在功耗允許的情況下，適當(dāng)增大各個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極驅(qū)動(dòng)電阻Rg，并且通過(guò)并聯(lián)一個(gè)小電容Cgs適當(dāng)增大場(chǎng)效應(yīng)管整體的柵極電容。這樣就人為地延長(zhǎng)了上管的開(kāi)啟時(shí)間，從而減少了場(chǎng)效應(yīng)管的漏源電壓變化率dv/dt和電流變化率di/dt，有效地保護(hù)了場(chǎng)效應(yīng)管，降低了誤操作的幾率。

（2）加大母線濾波電解電容。

（3）優(yōu)化布局布線。縮短IR2214輸出到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的驅(qū)動(dòng)路徑長(zhǎng)度，減少引線電感；使Rg盡量貼近管腳，抑制電感作用；以上措施大大減少了場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓Vgs在開(kāi)啟時(shí)的振蕩（振鈴信號(hào)），減小了開(kāi)關(guān)損耗，減少場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電流回路的環(huán)路面積，同時(shí)增加母線和地導(dǎo)板的寬度，減少母線的地彈效應(yīng)。

6 板到板連線的電磁干擾分析設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了控制板和功率板分離的設(shè)計(jì)，控制信號(hào)和采樣信號(hào)要通過(guò)排線從控制板連接到功率板，為了防止各信號(hào)間的間隔過(guò)小引入差模干擾，在設(shè)計(jì)中采用了如圖7所示線排組織方式。各控制信號(hào)及采樣信號(hào)之間采用增加地線的方法。

圖7 信號(hào)線排布圖

同時(shí)，光伏逆變器系統(tǒng)還要引入如電池溫度等外界信號(hào)，在這些信號(hào)的采樣反饋上采用了線繞屏蔽磁環(huán)的方法，如圖8所示，將信號(hào)反饋線在閉合磁芯上盤(pán)繞1圈以上，從而達(dá)到抑制電磁干擾的效果。

圖8 屏蔽磁環(huán)

7 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)，可以有效抑制光伏逆變器系統(tǒng)中的共模干擾和差模干擾，增加了系統(tǒng)在重載下工作的安全性。以上設(shè)計(jì)已在一款離網(wǎng)光伏逆變器上得到應(yīng)用，收到了良好的效果。

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