功率器件模塊：一種滿足 EMI 規(guī)范的捷徑

由于功率模塊的設(shè)計(jì)和幾何形狀可以實(shí)現(xiàn) EMI 建模，從而使設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)計(jì)流程的早期預(yù)測(cè)和了解其系統(tǒng)中的 EMI 反應(yīng)。

作者：Wolfspeed 模塊應(yīng)用工程師 Brian DeBoi

相鄰或共用導(dǎo)電回路的電子器件容易受到電磁干擾 (EMI) 的影響，使其工作過程受到干擾。要確保各電氣系統(tǒng)在同一環(huán)境中不干擾彼此的正常運(yùn)行，就必須最大限度地減少輻射。通常，由于硅 (Si) IGBT 和碳化硅 (SiC) MOSFET 等功率半導(dǎo)體器件在工作期間需要進(jìn)行快速開關(guān)，因此通常會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)型 EMI。在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，器件兩端的電壓和流經(jīng)器件的電流會(huì)迅速改變狀態(tài)。開、關(guān)狀態(tài)間變化會(huì)產(chǎn)生 dv/dt 和 di/dt，從而在開關(guān)頻率的諧波頻率上產(chǎn)生 EMI。

圖 1：方形、梯形和三角形信號(hào)的理論頻譜

開關(guān)頻率和邊延速率（即器件的狀態(tài)改變速度）決定了在開關(guān)期間產(chǎn)生的 EMI。通常情況下，最高輻射值會(huì)出現(xiàn)在開關(guān)頻率，較低峰值則出現(xiàn)在開關(guān)頻率的整數(shù)倍。例如，如果開關(guān)頻率為 100 kHz，那么將在 100 kHz、200 kHz、300 kHz 等頻率出現(xiàn)輻射頻譜峰值。圖 1 展示了具有不同上升時(shí)間的脈沖波形在不同頻率條件下的頻譜輻射衰減情況。對(duì)于具有無限 dv/dt 和 di/dt 值的理想方形波，輻射頻譜的幅度將以 20 dB/十倍頻程的速度遞減。對(duì)于具有最慢 dv/dt 和 di/dt 的理想三角形波，頻譜將下降 40 dB/十倍頻程。因此，對(duì)于電力電子設(shè)備所產(chǎn)生的梯形波，頻譜衰減將在 20 dB/十倍頻程到 40 dB/十倍頻程之間，衰減幅度取決于邊延速率。隨著器件開關(guān)速度加快，諧波頻率的輻射頻譜預(yù)計(jì)會(huì)增加，而跨頻衰減速度將減慢。

這就需要電力電子設(shè)計(jì)人員在開關(guān)頻率、邊延速率和所產(chǎn)生的 EMI 之間進(jìn)行一系列權(quán)衡。為了提高密度，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇提高開關(guān)頻率。這將減少低次諧波，但由于頻譜包絡(luò)向高頻移動(dòng)而可能導(dǎo)致輻射增加。此外，開關(guān)頻率升高會(huì)增加開關(guān)損耗。為了彌補(bǔ)總體損耗的增加，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇提高邊延速率（di/dt 和 dv/dt），以減少開關(guān)損耗。遺憾的是，提高邊延速率會(huì)進(jìn)一步增加系統(tǒng)在更高頻率下的輻射。因此，隨著在應(yīng)用場(chǎng)景中提高開關(guān)頻率和采用高性能、寬禁帶器件（如 SiC），設(shè)計(jì)人員必須考慮 EMI 的影響。

圖 2：流經(jīng)模塊基板的 CM 電流

緩解方法

系統(tǒng)的整體輻射不僅取決于電力電子設(shè)備的開關(guān)行為，而且還取決于所產(chǎn)生的噪聲與其他系統(tǒng)的耦合方式。我們的目標(biāo)是將開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的頻譜含量控制在系統(tǒng)之內(nèi)，或?qū)⑤椛湟齐x關(guān)鍵元件。為此，常用方法是在電力電子設(shè)備的輸入和輸出端增加 EMI 濾波器，這些濾波器允許所需頻率自由通過，同時(shí)重新定向或吸收掉不需要的頻率。然而，EMI 濾波器體積大且價(jià)格昂貴，因此必須縮小其尺寸以優(yōu)化成本和功率密度。一種更有效的方法是在設(shè)計(jì)初期就考慮耦合問題。通過策略性地優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的小的寄生耦合參數(shù)，或通過在系統(tǒng)內(nèi)的寄生耦合周圍平衡布置無源元件，可在不使用 EMI 濾波器的情況下大幅減少輻射。這樣，設(shè)計(jì)人員就能通過另一種方法來優(yōu)化系統(tǒng)并最大限度地減少輻射，同時(shí)還能利用碳化硅在提升效率和功率密度方面的優(yōu)勢(shì)。不過，這種方法要求設(shè)計(jì)人員對(duì)元件和系統(tǒng)有著深入的了解，但并不總是能直觀獲取。

散熱器耦合的影響

寄生電容是電力電子系統(tǒng)中普遍采用的一種重要寄生耦合，位于半導(dǎo)體和散熱器之間。通常，會(huì)在半導(dǎo)體和散熱器之間放置一種電絕緣的導(dǎo)熱材料。然而，這實(shí)際上是在絕緣體上形成一個(gè)小平行板電容，高頻共模電流可在此流動(dòng)，從而提供了向系統(tǒng)輻射的額外路徑。圖 2 舉例說明了這一概念。被測(cè)設(shè)備 (EUT) 是指完整的變換器或逆變器系統(tǒng)，而線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN) 是用于 EMC 規(guī)范測(cè)試的元件，為系統(tǒng)提供已知的輸入阻抗。在運(yùn)行過程中，EUT 產(chǎn)生的高頻共模噪聲會(huì)通過半導(dǎo)體的絕緣電容流向基板，然后流向散熱器，再流向 LISN 等其他系統(tǒng)元件。這可能會(huì)使頻譜輻射升高，從而導(dǎo)致 EUT 無法通過輻射規(guī)范測(cè)試。這種情況與許多實(shí)際系統(tǒng)相吻合，在這些系統(tǒng)中，通常出于安全性和易實(shí)施性因素而將散熱器接地。因此，在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)必須考慮這一 CM 噪聲路徑，以滿足規(guī)范要求。

功率模塊的優(yōu)勢(shì)

與分立式器件相比，功率模塊在電氣和熱特性方面更具優(yōu)勢(shì)，可提供更高的功率密度，并且在某些情況下還可簡(jiǎn)化裝配過程。其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，使用陶瓷絕緣體將半導(dǎo)體器件的高壓導(dǎo)體與模塊的金屬基板隔開。這樣，模塊就可以直接連接到接地散熱器或其他熱管理系統(tǒng)，而無需使用額外的絕緣材料。此外，由于陶瓷特性和厚度受到嚴(yán)格控制，功率模塊對(duì)于不同樣品具有恒定的電容。因此，模塊設(shè)計(jì)中的電容耦合可以量化，并且獨(dú)立于所采用的系統(tǒng)。這與分立式器件形成鮮明對(duì)比，后者通常使用絕緣硅膠墊，它們：

可能會(huì)產(chǎn)生因樣品或安裝扭矩而異的電容耦合

取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而非半導(dǎo)體元件，使得只能在實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)之后才能進(jìn)行量化

功率模塊具有恒定的耦合值，因此可以在功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仿真并減少 EMI。對(duì)于功率模塊，半導(dǎo)體和基板之間的絕緣體電容稱為基板電容 (BPC)。

圖 3：CAS175M12BM3 功率模塊中基板電容的分布

以及典型電路

電容分布

此外，還很有必要了解寄生基板電容分布情況對(duì) EMI 的影響。除各基板電容的總和值外，這些電容之間的比率也對(duì)整體共模輻射有著決定性影響。在某些情況下，甚至可以將這些電容調(diào)整為特定的比率，從而在不使用濾波器的情況下大幅降低共模電流。圖 3 舉例說明了 Wolfspeed CAS175M12BM3 模塊中基板電容的分布情況。通過直連的各基板區(qū)域顯示為一種顏色，并應(yīng)將其作為單個(gè)集中電容進(jìn)行建模。由于開爾文源極走線連接到芯片頂部的相應(yīng)源極引腳，因此它們與源極節(jié)點(diǎn)集中在一起。通常，基板區(qū)域的面積越大，電容耦合越高。對(duì)于半橋模塊，完整 BPC 模型包括五個(gè)基板電容：每個(gè)功率端子一個(gè)，每個(gè)柵極一個(gè)。分離各基板電容的這一邏輯也適用于任何模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖 4：LTspice EMC 升壓轉(zhuǎn)換器仿真

EMI 仿真

電路級(jí)仿真軟件（如 LTspice）有助于研究寄生效應(yīng)和其他參數(shù)對(duì) EMI 的影響。Wolfspeed 的功率模塊 SPICE 模型在速度和精度方面進(jìn)行了優(yōu)化，并在封裝模型中包含寄生基板電容，因此可有效地用于執(zhí)行 EMI 仿真。應(yīng)注意，由于系統(tǒng)和周圍環(huán)境之間的小的寄生耦合比較復(fù)雜，因此很難正確預(yù)測(cè)物理系統(tǒng)的輻射。不過，設(shè)計(jì)人員可通過仿真來研究寄生元件對(duì)輻射的影響，或者試驗(yàn)各種濾波器設(shè)計(jì)。

圖 5：含基板電容和不含基板電容的

升壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的輻射頻譜

為證明基板電容對(duì) EMI 的影響，在封裝模型中含和不含基板電容的情況下評(píng)估了圖 4 中的 EMC 升壓轉(zhuǎn)換器仿真。含基板電容和不含基板電容時(shí) V1 的頻譜波形如圖 5 所示。圖中疊加了 MIL-STD-461 CE102 的輻射限制條件；高于此線的任何頻譜含量都表示未滿足該標(biāo)準(zhǔn)。雖然在這兩種配置條件下系統(tǒng)都不符合 EMC 要求（考慮到未使用 EMI 濾波器，這并不奇怪），但含基板電容的系統(tǒng)在 100 kHz 至 10 MHz 范圍內(nèi)的頻譜含量高于輻射譜限制線。而不含基板電容的系統(tǒng)在 2 MHz 以上頻率時(shí)符合標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)注意，這只是一個(gè)理想化示例；在實(shí)際系統(tǒng)中，還會(huì)有其他共模路徑與基板電容并聯(lián)。

從該角度出發(fā)，設(shè)計(jì)人員可以利用仿真來應(yīng)用濾波器、評(píng)估寄生耦合的影響、研究共模抑制技術(shù)，并進(jìn)一步了解其系統(tǒng)然后再投入時(shí)間和資金進(jìn)行實(shí)證 EMC 規(guī)范測(cè)試。但是，只有在功率模塊的基板電容已知并納入仿真中的情況下，仿真才有效。Wolfspeed 已對(duì)其所有功率模塊平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，并公布了相關(guān)數(shù)據(jù)。

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