匯川科技王慶豐：800V 電控的 EMC 解決方案

2022年9月21-22日，由NE時代主辦，巨力自動化總冠名，巨一動力、中車時代電氣、華域電動、上海電驅動戰(zhàn)略合作，華為數(shù)字能源、智新科技生態(tài)合作的“2022（第二屆）全球xEV驅動系統(tǒng)技術暨產業(yè)大會”在上海嘉定圓滿召開。

匯川科技 EMC 開發(fā)部高級經理王慶豐以《800V 電控的 EMC 解決方案》為主題進行了分享。以下為演講實錄：

大家好，我是來自于蘇州匯川聯(lián)合動力系統(tǒng)有限公司的王慶豐，今天跟大家交流一下EMC相關的知識。從上午到下午，各家公司都講了相關EMC的東西，我這邊盡量地講一下基本原理的東西。因為EMC對大家來說都聽說過，但是究竟怎么造成的，今天針對這個話題簡單給大家介紹一下，主要分四部分：

第一，碳化硅在800V系統(tǒng)中的應用。

今天上午幾家模塊包括中車、比亞迪都講過了功率模塊，這邊簡單講一下800V系統(tǒng)中為何使用碳化硅，我們做了一個簡單的總結。

首先是碳化硅比硅禁帶寬度大很多，第一條和第二條相關，就是因為它的禁帶寬度比硅強，所以擊穿場強也比硅大很多。這兩個因素的影響，帶來了更高應用的電壓，更低的導通電阻。硅也可以做800V系統(tǒng)甚至更高的，但是由于禁帶寬度不一樣，對于碳化硅來說它可以用更小的尺寸，來做到相同的耐壓等級。

第二部分是載流子濃度，這部分決定了它的工作溫度。硅到150度就是一個極限了，但是碳化硅可能到175度，甚至到兩百度都可以使用。

第三部分是電子飽和速率。它數(shù)據越大意味著它更大的電流。

第四部分是熱傳導系數(shù)。這個很容易理解，熱傳導系數(shù)越大，散熱越好。

第五部分是更高的功率密度。結合于這幾個參數(shù)，為什么在800V系統(tǒng)里面會選擇碳化硅，而不是繼續(xù)用硅來做，這個就是簡單的介紹。

第二，碳化硅帶來的EMC影響。

電控里面拓撲沒有變，只不過把硅換成了碳化硅，但是很多時候會發(fā)現(xiàn)在應用過程中，碳化硅它的干擾不管體現(xiàn)出來的標準要求，還是在調試過程中帶來的串擾，碳化硅都是遠遠大于硅的。為什么會產生這樣的影響？我們嘗試著解讀一下。

如圖所示，這是一個簡化的IGBT的圖，我們只畫出了一相。通常來說有三相，我這邊只畫了一相，有上管和下管，正常上管M1從開通，管子的兩端DS是0，到關斷的過程中，因為M1和M2是上下橋的關系，不能同時導通，否則容易造成短路。先把上管M1關了，關了以后看中間電壓的圖，M1兩端的電壓變成高電平，M1斷開的過程中，需要有一個續(xù)流，硅使用過程中，為了續(xù)流的原因，會并聯(lián)一個二極管，碳化硅可能自身就可以去反向地走，不需要再并聯(lián)。不管怎么樣，它是有一個關斷的過程，續(xù)流的過程會讓二極管導通，這時候會產生一個電壓的下降。這個時候M1 D-S之間的電壓是變低的，變成一個低電平。

到M2逐步開通過程中，母線電容到M1和M2之間會有電流開始運行，這個時候會逐步M1等效為一個二極管。這時候會有兩部分電流開始產生，在M2開通過程中會產生一個尖峰，如圖所示。對于電壓尖峰，最關注的是尖峰不能太高，不要達到擊穿電壓就行，這部分不是產生EMC干擾的關鍵，到這一部分還沒有太多的問題。

真正出問題的在于下一步，M2已經開通了，接下來才是真正EMC噪聲的來源。如圖所示，當M2已經完全打開的時候，這個時候下管短路了，M1因為它有寄生電容，在過程中會跟回路寄生參數(shù)產生振蕩。如圖所示，是真正在開通關斷的過程中噪聲的來源。上面的圖是碳化硅的，很明顯它有了過沖以后，接下來會有很大的振蕩，不停地振蕩。下面的圖是普通的硅，它會有一個過沖，基本上看不到什么振蕩，從現(xiàn)象上來講這就是碳化硅和硅的一個最顯著的區(qū)別。硅和碳化硅整個過程沒有什么區(qū)別，但是右邊這幅圖有明顯的差異，這個差異究竟是怎么來的？

這個差異也是碳化硅EMC干擾，包含串擾會比硅大很多，這個不是簡單的大一點，如果按能量算的話，可能要幾十個DB，差異非常大，尤其對于高頻，對于硬件設計包括控制，這是影響非常大的。

前面講了它的來源，下面簡單介紹一下噪聲怎么被測量到的？雖然產生了噪聲，但是為什么會被測量到呢？如圖所示，不管是IGBT還是碳化硅，都需要散熱。模塊和散熱器之間實際上有寄生電容的，因為并聯(lián)銅排之間會有寄生電容。寄生電容如圖所示，不管上管還是下管，跟散熱之間有一個寄生電容。到了散熱器以后，高頻噪聲就會沿著這樣的路徑來走，這是第一條路徑。也就是說，它會到散熱器上，然后到整機機殼，沿著濾波器，通常電控會有一個濾波器，通過Y電容，再回到IGBT開關的另一側，形成了閉環(huán)的環(huán)路。這條環(huán)路我們希望它能走，在這里面走沒有問題，但是事實上這條路阻抗沒有那么低。另一部分是我們在測量過程中會走到模擬設備LISN，當走到LISN以后，所有數(shù)據都是在LISN上被測量到的。

第三，EMC解決方案。

如圖所示，大家在做EMC設計和整改的時候，通常會加很多濾波器，比如加入很多輸入的濾波器，三相上也要加一個磁環(huán)，從而抑制噪聲。究竟要不要加磁環(huán)，要不要加電容，在哪里加？我們要分析它的原理。在開發(fā)產品過程中可以關注一下，我們做電控類產品的時候，一個比較大的特點是，跟IGBT本身相關的這個噪聲跟其他的都沒有太多關系。經常說加一個三相磁環(huán)，但是沒有用。如圖所示是IGBT的圖，模塊到散熱器之間是有寄生電容的（金屬和金屬之間的寄生電容），可能會有一些差異，大概1~2nF的量級，看上去很小。假如高頻振蕩在30M的時候，用一個數(shù)學公式算一下，算一下大概5Ω，前面EMC接收機LISN的阻抗是50歐姆，比這個大10倍，同樣的在電機側它的阻抗也是比較大的，雖然電機側的電容比較大，但三相銅排都是有電感的，它所帶來的阻抗遠遠大于5歐姆，它的噪聲根本不會走三相線，直接從散熱器走了，再加更多的磁環(huán)沒有用，因為它根本不從那個地方走，加再多措施都沒有用。經常我們碰到很多供應商說，這個地方要不要預留一個三相磁環(huán)，我們說不需要，就是這個原因。

如何抑制噪聲？EMC要有干擾源，其次要有路徑，第三敏感設備（在測量過程中就是LISN）。如圖所示，當散熱器到機殼以后，我們希望它不出去，不被高壓的LISN接收到，這邊阻抗越低越好，如果是一個0歐的阻抗，基本上就不往外面走了，不會產生對外的干擾，這是最理想的情況。事實上，電容并不是一個理想的，它有引腳，電容的引腳對EMC來說，任何一個很短的線還是說銅排，都是帶電感的，1毫米的引腳大約1nH（納亨）。

不管測量還是仿真，如圖所示是我們做的阻抗圖。100nF、10nF、1nF，這是濾波中用得最多的三種電容。同樣的引腳，假設它的引腳阻抗15nH，這是標準電容能做到的極限，15毫米，這是所有設計里面能做到的極限了，帶PCB板，不可能比這個做得再短。如圖所示，10的6次方就是1兆，10的7次方是10兆，我們所關注的噪聲在30兆左右，在這個量級可以看一下，這個時候你用100nF的電容基本上沒什么用，沒什么效果。我們經常說加了很多濾波電容，但是沒有用。10nF的電容稍微好一些，但是用處也不大，真正對高頻來說，我們希望真正用的還是1nF或者更小容值的，這個取決于實際應用，這只是示意的概念。其實原理比較簡單，更多的是知道這個原理怎么用。

其次是共模噪聲。到LISN回去之后，增加阻抗，為什么加共模磁環(huán)就是不讓它從這個地方走。如圖所示是選型的建議，但不是絕對的，我們考慮EMC設計的時候會比較多。因為電控電流比較大，銅排通常來說比較寬，不能像OBC一樣，OBC可以繞很多匝可以做很多設計，但是對電控來說繞很多匝的話不是不可以，但是體積成本、適用性目前來看還不是一個最優(yōu)的選擇，我們通常來說只能選擇一匝的。也就是說，如果你的噪聲在100k以下，選非晶，如果100k到2M建議用錳鋅，2M以上用鎳鋅。解決IGBT的噪聲，路徑上只有這兩個辦法，沒有其他辦法，你說在其他地方再去做一些措施，基本上沒有，或者成本上不可能接受。

下面簡單講一下怎么在模塊上抑制噪聲。在硅應用的時候，用濾波器相對來說還是可接受的，如果碳化硅的話，目前來看10k赫茲的時候，它的振蕩已經夠厲害了，以后還要繼續(xù)往上走，15k、20k往上走的話，帶來的代價非常大。雖然我們要抑制EMC的噪聲，但是一定要有可接受的成本方案，這時候我們要真正地了解它的原理。

如圖所示，一個簡單的串聯(lián)諧振，它的“Q值”大小跟“L/C”有關，也就是這里面的寄生電感和模塊上的寄生電容。我們希望回路中“R”越小越好，這個可控制的點并不是很多，我們真正關心的是“L/C”。“Q值”決定了什么？解決EMC的問題并不是一個絕對的概念，L是不是越小越好或者C越大越好，你要看整體的問題在哪里。我們看一下“Q”值，換一個概念就是振蕩。Q值越小，振蕩越小，這個就是大家容易理解的簡單概念。這個時候可以看一下，假設L越小，C越大，Q值就越小，這根據公式得出的簡單概念，振蕩越??；電感越大，寄生電容，容值越小，電壓變化越快，振蕩越大。

這個可以解釋碳化硅和硅為什么會出現(xiàn)這個問題？很多時候我們的解決方案都來自于基本的原理。在我們的硅里面，因為兩端并了二極管，它的寄生電容比較大，即C比較大，C大Q值越小。第二部分從母線電容，到集成電感（L），L越小，振蕩越小。單看一個并沒有太多意義，我們做碳化硅的時候，為了減少振蕩，實際上它的寄生電感已經做得很小了，為什么碳化硅比硅還要大呢？因為C，因為碳化硅已經取消了并聯(lián)二極管，只通過自身的很小的體二極管，它的電容很小，導致震蕩非常的大，Q值非常大，這個公式解釋了前面為什么碳化硅比硅噪聲更大。

第四，總結

800V系統(tǒng)相對于400V系統(tǒng)，整體噪聲提升2倍，6dB。從低頻開始，比如開關頻率到最后的測量頻段，都是這樣的概念，但是在使用碳化硅的時候，高頻會比硅模塊噪聲更大，普遍在20dB以上。電流越大，振蕩越大，為什么說碳化硅設計難，難就難在振蕩這塊，相對來說前面的還好。

目前主要的抑制方法還是濾波器，右邊是我們做的一款集成的濾波器，目前已經批量了，這款應該是在碳化硅產品里面第一款批量的濾波器，這個性能是可以達到Class 3的。當然這只是一個過渡階段，真正要解決問題還是要通過在碳化硅內部找到一個平衡，也就是它的效率、EMC性能、熱，找一個平衡，最終實現(xiàn)整體性能最優(yōu)的方案。

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