功率器件模块：一种满足 EMI 规范的捷径
【导读】相邻或共用导电回路的电子器件容易受到电磁干扰 (EMI) 的影响，使其工作过程受到干扰。要确保各电气系统在同一环境中不干扰彼此的正常运行，就必须最大限度地减少辐射。通常，由于硅 (Si) IGBT 和碳化硅 (SiC) MOSFET 等功率半导体器件在工作期间需要进行快速开关，因此通常会产生传导型 EMI。在开关状态转换过程中，器件两端的电压和流经器件的电流会迅速改变状态。开、关状态间变化会产生 dv/dt 和 di/dt，从而在开关频率的谐波频率上产生 EMI。
由于功率模块的设计和几何形状可以实现 EMI 建模，从而使设计人员能够在设计流程的早期预测和了解其系统中的 EMI 反应。
这就需要电力电子设计人员在开关频率、边延速率和所产生的 EMI 之间进行一系列权衡。为了提高密度，设计人员可能会选择提高开关频率。这将减少低次谐波，但由于频谱包络向高频移动而可能导致辐射增加。此外，开关频率升高会增加开关损耗。为了弥补总体损耗的增加，设计人员可能会选择提高边延速率（di/dt 和 dv/dt），以减少开关损耗。遗憾的是，提高边延速率会进一步增加系统在更高频率下的辐射。因此，随着在应用场景中提高开关频率和采用高性能、宽禁带器件（如 SiC），设计人员必须考虑 EMI 的影响。
图 2：流经模块基板的 CM 电流
缓解方法
系统的整体辐射不仅取决于电力电子设备的开关行为，而且还取决于所产生的噪声与其他系统的耦合方式。我们的目标是将开关设备产生的频谱含量控制在系统之内，或将辐射移离关键元件。为此，常用方法是在电力电子设备的输入和输出端增加 EMI 滤波器，这些滤波器允许所需频率自由通过，同时重新定向或吸收掉不需要的频率。然而，EMI 滤波器体积大且价格昂贵，因此必须缩小其尺寸以优化成本和功率密度。一种更有效的方法是在设计初期就考虑耦合问题。通过策略性地优化系统内的小的寄生耦合参数，或通过在系统内的寄生耦合周围平衡布置无源元件，可在不使用 EMI 滤波器的情况下大幅减少辐射。这样，设计人员就能通过另一种方法来优化系统并最大限度地减少辐射，同时还能利用碳化硅在提升效率和功率密度方面的优势。不过，这种方法要求设计人员对元件和系统有着深入的了解，但并不总是能直观获取。
散热器耦合的影响
寄生电容是电力电子系统中普遍采用的一种重要寄生耦合，位于半导体和散热器之间。通常，会在半导体和散热器之间放置一种电绝缘的导热材料。然而，这实际上是在绝缘体上形成一个小平行板电容，高频共模电流可在此流动，从而提供了向系统辐射的额外路径。图 2 举例说明了这一概念。被测设备 (EUT) 是指完整的变换器或逆变器系统，而线路阻抗稳定网络 (LISN) 是用于 EMC 规范测试的元件，为系统提供已知的输入阻抗。在运行过程中，EUT 产生的高频共模噪声会通过半导体的绝缘电容流向基板，然后流向散热器，再流向 LISN 等其他系统元件。这可能会使频谱辐射升高，从而导致 EUT 无法通过辐射规范测试。这种情况与许多实际系统相吻合，在这些系统中，通常出于安全性和易实施性因素而将散热器接地。因此，在设计应用时必须考虑这一 CM 噪声路径，以满足规范要求。
功率模块的优势
与分立式器件相比，功率模块在电气和热特性方面更具优势，可提供更高的功率密度，并且在某些情况下还可简化装配过程。其中一个优势是，使用陶瓷绝缘体将半导体器件的高压导体与模块的金属基板隔开。这样，模块就可以直接连接到接地散热器或其他热管理系统，而无需使用额外的绝缘材料。此外，由于陶瓷特性和厚度受到严格控制，功率模块对于不同样品具有恒定的电容。因此，模块设计中的电容耦合可以量化，并且独立于所采用的系统。这与分立式器件形成鲜明对比，后者通常使用绝缘硅胶垫，它们：
可能会产生因样品或安装扭矩而异的电容耦合
取决于系统结构而非半导体元件，使得只能在实现整个系统之后才能进行量化
功率模块具有恒定的耦合值，因此可以在功率转换器的设计阶段进行仿真并减少 EMI。对于功率模块，半导体和基板之间的绝缘体电容称为基板电容 (BPC)。
图 3：CAS175M12BM3 功率模块中基板电容的分布以及典型电路
电容分布
此外，还很有必要了解寄生基板电容分布情况对 EMI 的影响。除各基板电容的总和值外，这些电容之间的比率也对整体共模辐射有着决定性影响。在某些情况下，甚至可以将这些电容调整为特定的比率，从而在不使用滤波器的情况下大幅降低共模电流。图 3 举例说明了 Wolfspeed CAS175M12BM3 模块中基板电容的分布情况。通过直连的各基板区域显示为一种颜色，并应将其作为单个集中电容进行建模。由于开尔文源极走线连接到芯片顶部的相应源极引脚，因此它们与源极节点集中在一起。通常，基板区域的面积越大，电容耦合越高。对于半桥模块，完整 BPC 模型包括五个基板电容：每个功率端子一个，每个栅极一个。分离各基板电容的这一逻辑也适用于任何模块拓扑结构。
图 4：LTspice EMC 升压转换器仿真
EMI 仿真
电路级仿真软件（如 LTspice）有助于研究寄生效应和其他参数对 EMI 的影响。Wolfspeed 的功率模块 SPICE 模型在速度和精度方面进行了优化，并在封装模型中包含寄生基板电容，因此可有效地用于执行 EMI 仿真。应注意，由于系统和周围环境之间的小的寄生耦合比较复杂，因此很难正确预测物理系统的辐射。不过，设计人员可通过仿真来研究寄生元件对辐射的影响，或者试验各种滤波器设计。
图 5：含基板电容和不含基板电容的升压转换器系统的辐射频谱
为证明基板电容对 EMI 的影响，在封装模型中含和不含基板电容的情况下评估了图 4 中的 EMC 升压转换器仿真。含基板电容和不含基板电容时 V1 的频谱波形如图 5 所示。图中叠加了 MIL-STD-461 CE102 的辐射限制条件；高于此线的任何频谱含量都表示未满足该标准。虽然在这两种配置条件下系统都不符合 EMC 要求（考虑到未使用 EMI 滤波器，这并不奇怪），但含基板电容的系统在 100 kHz 至 10 MHz 范围内的频谱含量高于辐射谱限制线。而不含基板电容的系统在 2 MHz 以上频率时符合标准。应注意，这只是一个理想化示例；在实际系统中，还会有其他共模路径与基板电容并联。
从该角度出发，设计人员可以利用仿真来应用滤波器、评估寄生耦合的影响、研究共模抑制技术，并进一步了解其系统然后再投入时间和资金进行实证 EMC 规范测试。但是，只有在功率模块的基板电容已知并纳入仿真中的情况下，仿真才有效。Wolfspeed 已对其所有功率模块平台进行测量，并公布了相关数据。
https://www.powersystemsdesign.com/print-archives-emb/613
关于 Wolfspeed, Inc.
(文章来源：WOLFSPEED，作者：Wolfspeed 模块应用工程师 Brian DeBoi）
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