2022年9月21-22日，由NE时代主办，巨力自动化总冠名，巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作，华为数字能源、智新科技生态合作的“2022（第二届）全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。
汇川科技 EMC 开发部高级经理王庆丰以《800V 电控的 EMC 解决方案》为主题进行了分享。
以下为演讲实录：
大家好，我是来自于苏州汇川联合动力系统有限公司的王庆丰，今天跟大家交流一下EMC相关的知识。从上午到下午，各家公司都讲了相关EMC的东西，我这边尽量地讲一下基本原理的东西。因为EMC对大家来说都听说过，但是究竟怎么造成的，今天针对这个话题简单给大家介绍一下，主要分四部分：
第一，碳化硅在800V系统中的应用。
今天上午几家模块包括中车、比亚迪都讲过了功率模块，这边简单讲一下800V系统中为何使用碳化硅，我们做了一个简单的总结。
首先是碳化硅比硅禁带宽度大很多，第一条和第二条相关，就是因为它的禁带宽度比硅强，所以击穿场强也比硅大很多。这两个因素的影响，带来了更高应用的电压，更低的导通电阻。硅也可以做800V系统甚至更高的，但是由于禁带宽度不一样，对于碳化硅来说它可以用更小的尺寸，来做到相同的耐压等级。
第二部分是载流子浓度，这部分决定了它的工作温度。硅到150度就是一个极限了，但是碳化硅可能到175度，甚至到两百度都可以使用。
第三部分是电子饱和速率。它数据越大意味着它更大的电流。
第四部分是热传导系数。这个很容易理解，热传导系数越大，散热越好。
第五部分是更高的功率密度。结合于这几个参数，为什么在800V系统里面会选择碳化硅，而不是继续用硅来做，这个就是简单的介绍。
第二，碳化硅带来的EMC影响。
电控里面拓扑没有变，只不过把硅换成了碳化硅，但是很多时候会发现在应用过程中，碳化硅它的干扰不管体现出来的标准要求，还是在调试过程中带来的串扰，碳化硅都是远远大于硅的。为什么会产生这样的影响？我们尝试着解读一下。
如图所示，这是一个简化的IGBT的图，我们只画出了一相。通常来说有三相，我这边只画了一相，有上管和下管，正常上管M1从开通，管子的两端DS是0，到关断的过程中，因为M1和M2是上下桥的关系，不能同时导通，否则容易造成短路。先把上管M1关了，关了以后看中间电压的图，M1两端的电压变成高电平，M1断开的过程中，需要有一个续流，硅使用过程中，为了续流的原因，会并联一个二极管，碳化硅可能自身就可以去反向地走，不需要再并联。不管怎么样，它是有一个关断的过程，续流的过程会让二极管导通，这时候会产生一个电压的下降。这个时候M1 D-S之间的电压是变低的，变成一个低电平。
到M2逐步开通过程中，母线电容到M1和M2之间会有电流开始运行，这个时候会逐步M1等效为一个二极管。这时候会有两部分电流开始产生，在M2开通过程中会产生一个尖峰，如图所示。对于电压尖峰，最关注的是尖峰不能太高，不要达到击穿电压就行，这部分不是产生EMC干扰的关键，到这一部分还没有太多的问题。
真正出问题的在于下一步，M2已经开通了，接下来才是真正EMC噪声的来源。如图所示，当M2已经完全打开的时候，这个时候下管短路了，M1因为它有寄生电容，在过程中会跟回路寄生参数产生振荡。如图所示，是真正在开通关断的过程中噪声的来源。上面的图是碳化硅的，很明显它有了过冲以后，接下来会有很大的振荡，不停地振荡。下面的图是普通的硅，它会有一个过冲，基本上看不到什么振荡，从现象上来讲这就是碳化硅和硅的一个最显著的区别。硅和碳化硅整个过程没有什么区别，但是右边这幅图有明显的差异，这个差异究竟是怎么来的？
这个差异也是碳化硅EMC干扰，包含串扰会比硅大很多，这个不是简单的大一点，如果按能量算的话，可能要几十个DB，差异非常大，尤其对于高频，对于硬件设计包括控制，这是影响非常大的。
前面讲了它的来源，下面简单介绍一下噪声怎么被测量到的？虽然产生了噪声，但是为什么会被测量到呢？如图所示，不管是IGBT还是碳化硅，都需要散热。模块和散热器之间实际上有寄生电容的，因为并联铜排之间会有寄生电容。寄生电容如图所示，不管上管还是下管，跟散热之间有一个寄生电容。到了散热器以后，高频噪声就会沿着这样的路径来走，这是第一条路径。也就是说，它会到散热器上，然后到整机机壳，沿着滤波器，通常电控会有一个滤波器，通过Y电容，再回到IGBT开关的另一侧，形成了闭环的环路。这条环路我们希望它能走，在这里面走没有问题，但是事实上这条路阻抗没有那么低。另一部分是我们在测量过程中会走到模拟设备LISN，当走到LISN以后，所有数据都是在LISN上被测量到的。
第三，EMC解决方案。
如图所示，大家在做EMC设计和整改的时候，通常会加很多滤波器，比如加入很多输入的滤波器，三相上也要加一个磁环，从而抑制噪声。究竟要不要加磁环，要不要加电容，在哪里加？我们要分析它的原理。在开发产品过程中可以关注一下，我们做电控类产品的时候，一个比较大的特点是，跟IGBT本身相关的这个噪声跟其他的都没有太多关系。经常说加一个三相磁环，但是没有用。如图所示是IGBT的图，模块到散热器之间是有寄生电容的（金属和金属之间的寄生电容），可能会有一些差异，大概1~2nF的量级，看上去很小。假如高频振荡在30M的时候，用一个数学公式算一下，算一下大概5Ω，前面EMC接收机LISN的阻抗是50欧姆，比这个大10倍，同样的在电机侧它的阻抗也是比较大的，虽然电机侧的电容比较大，但三相铜排都是有电感的，它所带来的阻抗远远大于5欧姆，它的噪声根本不会走三相线，直接从散热器走了，再加更多的磁环没有用，因为它根本不从那个地方走，加再多措施都没有用。经常我们碰到很多供应商说，这个地方要不要预留一个三相磁环，我们说不需要，就是这个原因。
如何抑制噪声？EMC要有干扰源，其次要有路径，第三敏感设备（在测量过程中就是LISN）。如图所示，当散热器到机壳以后，我们希望它不出去，不被高压的LISN接收到，这边阻抗越低越好，如果是一个0欧的阻抗，基本上就不往外面走了，不会产生对外的干扰，这是最理想的情况。事实上，电容并不是一个理想的，它有引脚，电容的引脚对EMC来说，任何一个很短的线还是说铜排，都是带电感的，1毫米的引脚大约1nH（纳亨）。
不管测量还是仿真，如图所示是我们做的阻抗图。100nF、10nF、1nF，这是滤波中用得最多的三种电容。同样的引脚，假设它的引脚阻抗15nH，这是标准电容能做到的极限，15毫米，这是所有设计里面能做到的极限了，带PCB板，不可能比这个做得再短。如图所示，10的6次方就是1兆，10的7次方是10兆，我们所关注的噪声在30兆左右，在这个量级可以看一下，这个时候你用100nF的电容基本上没什么用，没什么效果。我们经常说加了很多滤波电容，但是没有用。10nF的电容稍微好一些，但是用处也不大，真正对高频来说，我们希望真正用的还是1nF或者更小容值的，这个取决于实际应用，这只是示意的概念。其实原理比较简单，更多的是知道这个原理怎么用。
其次是共模噪声。到LISN回去之后，增加阻抗，为什么加共模磁环就是不让它从这个地方走。如图所示是选型的建议，但不是绝对的，我们考虑EMC设计的时候会比较多。因为电控电流比较大，铜排通常来说比较宽，不能像OBC一样，OBC可以绕很多匝可以做很多设计，但是对电控来说绕很多匝的话不是不可以，但是体积成本、适用性目前来看还不是一个最优的选择，我们通常来说只能选择一匝的。也就是说，如果你的噪声在100k以下，选非晶，如果100k到2M建议用锰锌，2M以上用镍锌。解决IGBT的噪声，路径上只有这两个办法，没有其他办法，你说在其他地方再去做一些措施，基本上没有，或者成本上不可能接受。
下面简单讲一下怎么在模块上抑制噪声。在硅应用的时候，用滤波器相对来说还是可接受的，如果碳化硅的话，目前来看10k赫兹的时候，它的振荡已经够厉害了，以后还要继续往上走，15k、20k往上走的话，带来的代价非常大。虽然我们要抑制EMC的噪声，但是一定要有可接受的成本方案，这时候我们要真正地了解它的原理。
如图所示，一个简单的串联谐振，它的“Q值”大小跟“L/C”有关，也就是这里面的寄生电感和模块上的寄生电容。我们希望回路中“R”越小越好，这个可控制的点并不是很多，我们真正关心的是“L/C”。“Q值”决定了什么？解决EMC的问题并不是一个绝对的概念，L是不是越小越好或者C越大越好，你要看整体的问题在哪里。我们看一下“Q”值，换一个概念就是振荡。Q值越小，振荡越小，这个就是大家容易理解的简单概念。这个时候可以看一下，假设L越小，C越大，Q值就越小，这根据公式得出的简单概念，振荡越小；电感越大，寄生电容，容值越小，电压变化越快，振荡越大。
这个可以解释碳化硅和硅为什么会出现这个问题？很多时候我们的解决方案都来自于基本的原理。在我们的硅里面，因为两端并了二极管，它的寄生电容比较大，即C比较大，C大Q值越小。第二部分从母线电容，到集成电感（L），L越小，振荡越小。单看一个并没有太多意义，我们做碳化硅的时候，为了减少振荡，实际上它的寄生电感已经做得很小了，为什么碳化硅比硅还要大呢？因为C，因为碳化硅已经取消了并联二极管，只通过自身的很小的体二极管，它的电容很小，导致震荡非常的大，Q值非常大，这个公式解释了前面为什么碳化硅比硅噪声更大。
第四，总结
800V系统相对于400V系统，整体噪声提升2倍，6dB。从低频开始，比如开关频率到最后的测量频段，都是这样的概念，但是在使用碳化硅的时候，高频会比硅模块噪声更大，普遍在20dB以上。电流越大，振荡越大，为什么说碳化硅设计难，难就难在振荡这块，相对来说前面的还好。
目前主要的抑制方法还是滤波器，右边是我们做的一款集成的滤波器，目前已经批量了，这款应该是在碳化硅产品里面第一款批量的滤波器，这个性能是可以达到Class 3的。当然这只是一个过渡阶段，真正要解决问题还是要通过在碳化硅内部找到一个平衡，也就是它的效率、EMC性能、热，找一个平衡，最终实现整体性能最优的方案。谢谢大家！
