汇川科技王庆丰:800V 电控的 EMC 解决方案

NE时代新能源 更新于2022-10-11 03:01:00

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!

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