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)計和幾何形狀可以實現(xiàn) EMI 建模，從而使設(shè)計人員能夠在設(shè)計流程的早期預(yù)測和了解其系統(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)器件的電流會迅速改變狀態(tài)。開、關(guān)狀態(tài)間變化會產(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間的脈沖波形在不同頻率條件下的頻譜輻射衰減情況。對于具有無限 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)計會增加，而跨頻衰減速度將減慢。

這就需要電力電子設(shè)計人員在開關(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)計人員可能會選擇提高開關(guān)頻率。這將減少低次諧波，但由于頻譜包絡(luò)向高頻移動而可能導(dǎo)致輻射增加。此外，開關(guān)頻率升高會增加開關(guān)損耗。為了彌補(bǔ)總體損耗的增加，設(shè)計人員可能會選擇提高邊延速率（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，同時還能利用碳化硅在提升效率和功率密度方面的優(yōu)勢。不過，這種方法要求設(shè)計人員對元件和系統(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，這實際上是在絕緣體上形成一個小平行板電容，高頻共模電流可在此流動，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。這可能會使頻譜輻射升高，從而導(dǎo)致 EUT 無法通過輻射規(guī)范測試。這種情況與許多實際系統(tǒng)相吻合，在這些系統(tǒng)中，通常出于安全性和易實施性因素而將散熱器接地。因此，在設(shè)計應(yīng)用時必須考慮這一 CM 噪聲路徑，以滿足規(guī)范要求。

功率模塊的優(yōu)勢

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，可提供更高的功率密度，并且在某些情況下還可簡化裝配過程。其中一個優(yōu)勢是，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，功率模塊對于不同樣品具有恒定的電容。因此，模塊設(shè)計中的電容耦合可以量化，并且獨立于所采用的系統(tǒng)。這與分立式器件形成鮮明對比，后者通常使用絕緣硅膠墊，它們：

可能會產(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，使得只能在實現(xiàn)整個系統(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)計階段進(jìn)行仿真并減少 EMI。對于功率模塊，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 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)點集中在一起。通常，基板區(qū)域的面積越大，電容耦合越高。對于半橋模塊，完整 BPC 模型包括五個基板電容：每個功率端子一個，每個柵極一個。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

電路級仿真軟件（如 LTspice）有助于研究寄生效應(yīng)和其他參數(shù)對 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)測物理系統(tǒng)的輻射。不過，設(shè)計人員可通過仿真來研究寄生元件對輻射的影響，或者試驗各種濾波器設(shè)計。

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 EMI 的影響，在封裝模型中含和不含基板電容的情況下評估了圖 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 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 以上頻率時符合標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)注意，這只是一個理想化示例；在實際系統(tǒng)中，還會有其他共模路徑與基板電容并聯(lián)。

從該角度出發(fā)，設(shè)計人員可以利用仿真來應(yīng)用濾波器、評估寄生耦合的影響、研究共模抑制技術(shù)，并進(jìn)一步了解其系統(tǒng)然后再投入時間和資金進(jìn)行實證 EMC 規(guī)范測試。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 已對其所有功率模塊平臺進(jìn)行測量，并公布了相關(guān)數(shù)據(jù)。

關(guān)于 Wolfspeed, Inc.

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