功率器件模塊：一種滿足 EMI 規范的捷徑

由于功率模塊的設計和幾何形狀可以實現 EMI 建模，從而使設計人員能夠在設計流程的早期預測和了解其系統中的 EMI 反應。

作者：Wolfspeed 模塊應用工程師 Brian DeBoi

相鄰或共用導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。要確保各電氣系統在同一環境中不干擾彼此的正常運行，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 等功率半導體器件在工作期間需要進行快速開關，因此通常會產生傳導型 EMI。在開關狀態轉換過程中，器件兩端的電壓和流經器件的電流會迅速改變狀態。開、關狀態間變化會產生 dv/dt 和 di/dt，從而在開關頻率的諧波頻率上產生 EMI。

圖 1：方形、梯形和三角形信號的理論頻譜

開關頻率和邊延速率（即器件的狀態改變速度）決定了在開關期間產生的 EMI。通常情況下，最高輻射值會出現在開關頻率，較低峰值則出現在開關頻率的整數倍。例如，如果開關頻率為 100 kHz，那么將在 100 kHz、200 kHz、300 kHz 等頻率出現輻射頻譜峰值。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，對于電力電子設備所產生的梯形波，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。隨著器件開關速度加快，諧波頻率的輻射頻譜預計會增加，而跨頻衰減速度將減慢。

這就需要電力電子設計人員在開關頻率、邊延速率和所產生的 EMI 之間進行一系列權衡。為了提高密度，設計人員可能會選擇提高開關頻率。這將減少低次諧波，但由于頻譜包絡向高頻移動而可能導致輻射增加。此外，開關頻率升高會增加開關損耗。為了彌補總體損耗的增加，設計人員可能會選擇提高邊延速率（di/dt 和 dv/dt），以減少開關損耗。遺憾的是，提高邊延速率會進一步增加系統在更高頻率下的輻射。因此，隨著在應用場景中提高開關頻率和采用高性能、寬禁帶器件（如 SiC），設計人員必須考慮 EMI 的影響。

圖 2：流經模塊基板的 CM 電流

緩解方法

系統的整體輻射不僅取決于電力電子設備的開關行為，而且還取決于所產生的噪聲與其他系統的耦合方式。我們的目標是將開關設備產生的頻譜含量控制在系統之內，或將輻射移離關鍵元件。為此，常用方法是在電力電子設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化成本和功率密度。一種更有效的方法是在設計初期就考慮耦合問題。通過策略性地優化系統內的小的寄生耦合參數，或通過在系統內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，設計人員就能通過另一種方法來優化系統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勢。不過，這種方法要求設計人員對元件和系統有著深入的了解，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中普遍采用的一種重要寄生耦合，位于半導體和散熱器之間。通常，會在半導體和散熱器之間放置一種電絕緣的導熱材料。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，從而提供了向系統輻射的額外路徑。圖 2 舉例說明了這一概念。被測設備 (EUT) 是指完整的變換器或逆變器系統，而線路阻抗穩定網絡 (LISN) 是用于 EMC 規范測試的元件，為系統提供已知的輸入阻抗。在運行過程中，EUT 產生的高頻共模噪聲會通過半導體的絕緣電容流向基板，然后流向散熱器，再流向 LISN 等其他系統元件。這可能會使頻譜輻射升高，從而導致 EUT 無法通過輻射規范測試。這種情況與許多實際系統相吻合，在這些系統中，通常出于安全性和易實施性因素而將散熱器接地。因此，在設計應用時必須考慮這一 CM 噪聲路徑，以滿足規范要求。

功率模塊的優勢

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。其中一個優勢是，使用陶瓷絕緣體將半導體器件的高壓導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，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，模塊設計中的電容耦合可以量化，并且獨立于所采用的系統。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：

可能會產生因樣品或安裝扭矩而異的電容耦合

取決于系統結構而非半導體元件，使得只能在實現整個系統之后才能進行量化

功率模塊具有恒定的耦合值，因此可以在功率轉換器的設計階段進行仿真并減少 EMI。對于功率模塊，半導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域顯示為一種顏色，并應將其作為單個集中電容進行建模。由于開爾文源極走線連接到芯片頂部的相應源極引腳，因此它們與源極節點集中在一起。通常，基板區域的面積越大，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撲結構。

圖 4：LTspice EMC 升壓轉換器仿真

EMI 仿真

電路級仿真軟件（如 LTspice）有助于研究寄生效應和其他參數對 EMI 的影響。Wolfspeed 的功率模塊 SPICE 模型在速度和精度方面進行了優化，并在封裝模型中包含寄生基板電容，因此可有效地用于執行 EMI 仿真。應注意，由于系統和周圍環境之間的小的寄生耦合比較復雜，因此很難正確預測物理系統的輻射。不過，設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計。

圖 5：含基板電容和不含基板電容的

升壓轉換器系統的輻射頻譜

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準。雖然在這兩種配置條件下系統都不符合 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在 100 kHz 至 10 MHz 范圍內的頻譜含量高于輻射譜限制線。而不含基板電容的系統在 2 MHz 以上頻率時符合標準。應注意，這只是一個理想化示例；在實際系統中，還會有其他共模路徑與基板電容并聯。

從該角度出發，設計人員可以利用仿真來應用濾波器、評估寄生耦合的影響、研究共模抑制技術，并進一步了解其系統然后再投入時間和資金進行實證 EMC 規范測試。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行測量，并公布了相關數據。

關于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美國紐約證券交易所上市代碼: WOLF）引領碳化硅（SiC）技術在全球市場的采用。我們為高效能源節約和可持續未來提供業界領先的解決方案。Wolfspeed 產品家族包括了 SiC 材料、功率器件，針對電動汽車、快速充電、可再生能源和儲能等多種應用。我們通過勤勉工作、合作以及對于創新的熱情，開啟更多可能。