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)計流程的早期預測和了解其系統(tǒng)中的 EMI 反應。

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，但由于頻譜包絡向高頻移動而可能導致輻射增加。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，提高邊延速率會進一步增加系統(tǒng)在更高頻率下的輻射。因此，隨著在應用場景中提高開關(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(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 (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。在運行過程中，EUT 產(chǎn)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(tǒng)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(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(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)而非半導體元件，使得只能在實現(xiàn)整個系統(tǒng)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(zhuǎn)換器的設(shè)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(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(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撲結(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雜，因此很難正確預測物理系統(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準。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 以上頻率時符合標準。應注意，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用濾波器、評估寄生耦合的影響、研究共模抑制技術(shù)，并進一步了解其系統(tǒng)然后再投入時間和資金進行實證 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行測量，并公布了相關(guān)數(shù)據(jù)。

https://www.powersystemsdesign.com/print-archives-emb/613 

關(guān)于 Wolfspeed, Inc.

(文章來源：WOLFSPEED，作者：Wolfspeed 模塊應用工程師 Brian DeBoi）