改變Vce的高頻部分的頻譜特性的二種方法是什么？

一、引言

獨(dú)學(xué)而無友，則孤陋而寡聞。EMC是一個(gè)綜合性學(xué)科，其涉及的知識(shí)面縱、廣、深，僅僅靠公司內(nèi)部團(tuán)隊(duì)的封閉式的項(xiàng)目交流，團(tuán)隊(duì)能力很難達(dá)到更高的level，也會(huì)阻礙EMC工程師們成長。目前很多企業(yè)中EMC工程師都處于疲于奔命的項(xiàng)目交付上，很難靜下心來與公司團(tuán)隊(duì)外的大牛們進(jìn)行溝通交流，使得EMC工程師只具備應(yīng)付項(xiàng)目的能力，而缺乏了第一性原理的分析。感謝電磁兼容EMC公眾號(hào)這個(gè)平臺(tái)，能夠把工作中經(jīng)歷過的好玩的有趣的案例整理出來，與眾者探討，共同學(xué)習(xí)與成長。

二、概述

PWM控制型IGBT工作在斬波模式，使得IGBT本身自帶干擾源屬性，自擾與互擾系統(tǒng)中的其他設(shè)備。隨著近幾年功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，像SIC、GAN等半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，提升開關(guān)速率降低了損耗，但卻帶來了EMI的巨大挑戰(zhàn)。以三相AC380V輸入驅(qū)動(dòng)器的輕載低頻運(yùn)行為例，其整流母線電壓為DC513V左右，Vce的turn on/off時(shí)間達(dá)到了ns級(jí)，產(chǎn)生dv/dt約為幾KV/us ~幾十KV/us，dv/dt在回路中產(chǎn)生的共模噪聲電流為幾十A甚至100A以上，嚴(yán)重干擾周圍設(shè)備，僅從路徑上去抑制，需要付出巨大的濾波成本，所以IGBT的EMI抑制一直是業(yè)界的關(guān)注點(diǎn)。

1. 驅(qū)動(dòng)器共模噪聲的回路示意圖

參見圖1

圖1 干擾路徑示意圖

圖2 Cm測量示意圖

濾波電容：X電容Cx和Y電容Cy；

分布電容：以電機(jī)繞組與機(jī)殼地分布電容Cm為主，其他分布電容未畫出。

共模噪聲電流：Icm。

2. 驅(qū)動(dòng)器噪聲電流及場強(qiáng)估算

示例：Cx=1uf，Cy=0.1uf，Cm=10nf，Vdc=500V，Tr=50ns，電機(jī)線長度1m。

1） Icm估算

Icm = C回路*dV/dt

= 100A;

注：上式中C回路 ≈ Cm。

圖3 Icm電流波形示意圖

2） 3m遠(yuǎn)處共模輻射場強(qiáng)估算

≈90dB（uv/m）

其中 ：

E：電場強(qiáng)度（V/m）

f ：電流的頻率（MHz）

L：電纜的長度（m）

I ：電流的強(qiáng)度（mA）

r ：測試點(diǎn)到電流環(huán)路的距離（m）

由估算結(jié)果可知，共模電流峰值達(dá)到了百安級(jí)，3m遠(yuǎn)處電場強(qiáng)度達(dá)到了90dB，在產(chǎn)品認(rèn)證及實(shí)際應(yīng)用中需要付出更多的抑制代價(jià)。

三、原理分析

1. 驅(qū)動(dòng)器共模噪聲機(jī)理分析［1-3］

（a） 共模電壓等效簡化電路

（b） Vcm共模電壓波形示意圖

圖4 共模噪聲機(jī)理分析

三相PWM脈沖之和不為0而形成的四電平階梯波是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)器共模干擾的本質(zhì)原因。共模電壓： 。

2. IGBT的Vce頻譜特性

驅(qū)動(dòng)器IGBT的Vce波形與頻譜特性參見圖5。

（a）Vce梯形波 （b）梯形波頻譜

圖5Vce梯形波頻譜示意圖

改變Vce的高頻部分的頻譜特性有二種方法：

1） 改變幅值（圖5：B→A，使得f3→f1偏移），示例圖6［3］；

圖6 幅值對頻譜的影響

2） 改變turn on/off時(shí)間（圖5：1/πtr→1/πtr1，使得 f1→f2偏移），示例圖7［3］；

圖7 tr時(shí)間對頻譜的影響

在實(shí)際應(yīng)用中很難去改變幅值，所以把改變Vce頻率特性的重任交給了turn on/off時(shí)間（也就是改變Vce的dv/dt）。

3. Vce的dv/dt研究現(xiàn)狀

dv/dt設(shè)計(jì)離不開驅(qū)動(dòng)電路，近些年圍繞著驅(qū)動(dòng)電路的研究進(jìn)行簡述說明：

1） 有源門極控制型驅(qū)動(dòng)電路，參見圖8［4］。

圖8 有源驅(qū)動(dòng)電路示意圖

有源驅(qū)動(dòng)型在實(shí)際應(yīng)用中turn on/off時(shí)間過長，改善了EMI的同時(shí)增大了損耗；

2） 高斯波控制型驅(qū)動(dòng)電路，參見圖9［5］。

圖9 Gaussian S-shaping驅(qū)動(dòng)電路示意圖

高斯波控制使得Vce的turn on/off邊沿高斯化，改善了EMI并權(quán)衡了損耗，但使得Vce波形階梯式變化且控制較復(fù)雜。

3） 驅(qū)動(dòng)電路中各參數(shù)對dv/dt及EMI的影響，參見圖10［6］。

圖10 電阻電感驅(qū)動(dòng)電路示意圖

僅分析驅(qū)動(dòng)電路電感和電阻參數(shù)對dv/dt的影響，沒有從dv/dt動(dòng)態(tài)調(diào)整角度進(jìn)行說明；

4） 可調(diào)驅(qū)動(dòng)電阻型驅(qū)動(dòng)電路，參見圖11［7］，。

圖11 可調(diào)驅(qū)動(dòng)電阻的驅(qū)動(dòng)電路示意圖

可調(diào)驅(qū)動(dòng)電阻電路通過采集管電壓和管電流波形來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻，可獲得較好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，但電流變化采集用電感的加入，會(huì)引入諧振風(fēng)險(xiǎn)；

5） dv/dt驅(qū)動(dòng)周期變化規(guī)律， 參見圖12［1］。

圖12 輸出電流一個(gè)周期內(nèi)的dv/dt變化

對dv/dt與輸出電流的周期性變化進(jìn)行了測試說明，但沒有進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法的說明。

4. dv/dt與損耗的分析

IGBT模塊的turn on與turn off計(jì)算方法相同，圖13給出了開關(guān)瞬態(tài)電壓、電流波形及turn on過程的損耗計(jì)算公式［8］。

圖13 開關(guān)損耗示意圖

為直觀說明損耗與dv/dt關(guān)系，參見圖14［1］。

圖14 損耗與dv/dt關(guān)系

在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中要權(quán)衡dv/dt與損耗的關(guān)系，驅(qū)動(dòng)參數(shù)越大，turn on/off時(shí)間越長，帶來損耗越大需要更大的散熱成本。

四、dv/dt與EMI和開關(guān)損耗優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法探討

通過文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［7］對dv/dt與EMI研究的基礎(chǔ)上，針對Vce邊沿交錯(cuò)控制與dv/dt在線調(diào)整方法的分析說明，詳細(xì)如下。

1. 運(yùn)行過程中的dv/dt特性分析

1）波形邊沿疊加特性

驅(qū)動(dòng)器類IGBT控制方式有無PG V/f 控制、帶PG V/f控制、無PG矢量控制、帶PG矢量控制等等不同的控制方式和術(shù)語描述，總結(jié)來說為三大類：VF、開環(huán)矢量、閉環(huán)矢量控制。不同的控制方式發(fā)波方式會(huì)有所差別。同時(shí)抓取上橋T1、T3、T5的Vce波形，來綜合說明驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行過程中的Vce的發(fā)波模式，參見圖15。

圖15 發(fā)波模式示意圖

模式1：剛啟動(dòng)或0HZ運(yùn)行時(shí)，三個(gè)管子的邊沿（上升沿或下降沿）重疊在一起。

模式2：隨著運(yùn)行頻率的增加，三個(gè)管子波形逐漸錯(cuò)開，兩個(gè)管子的邊沿（上升沿或下降沿）重疊在一起。

模式3：速度穩(wěn)定時(shí)，三個(gè)管子邊沿交錯(cuò)開，無疊加出現(xiàn)；

VF模式控制：模式1和模式2；

其他模式控制：模式2和模式3。

◆干擾影響分析

干擾電流峰值：把單管噪聲電流記為Icm=C回路*dV/dt，所以，模式1峰值干擾電流相當(dāng)為3*Icm、模式2峰值干擾電流為2*Icm、模式3峰值干擾電流相當(dāng)為1*Icm。

◆干擾強(qiáng)度比較

因工作在模式1和模式2，所以VF控制下的噪聲量級(jí)比其他控制方式下的更強(qiáng)，特別是0HZ或低頻運(yùn)行時(shí)。

2）同一驅(qū)動(dòng)參數(shù)下dv/dt隨輸出電流變化的特性

參見圖12所示，turn on （下降沿）與turn off（上升沿）的dv/dt的特性總結(jié)如下：

◆上升沿與下降沿在電流過零點(diǎn)處的dv/dt最大；

◆上升沿的dv/dt在電流正半周比在負(fù)半周大；

◆上升沿的dv/dt在電流正半周內(nèi)隨電流的增大逐漸變小，電流最大時(shí)dv/dt最?。?/p>

◆下降沿的dv/dt在電流負(fù)半周比在正半周大；

◆下降沿的dv/dt在電流負(fù)半周內(nèi)隨電流絕對值變大逐漸變小，電流絕對值最大時(shí)dv/dt最小；

◆上升沿的dv/dt在電流負(fù)半周期內(nèi)隨電流絕對值變大而變大；

◆下降沿的dv/dt在電流正半周期內(nèi)隨電流變大而變大。

2. IGBT Vce噪聲源抑制方法

經(jīng)過以上分析，有以下四種抑制方法：

1）0HZ或低頻不發(fā)波，或啟動(dòng)頻率提高（如1HZ以上才發(fā)波）----各廠家已應(yīng)用；

2）降低五段發(fā)波與七段發(fā)波的運(yùn)行切換點(diǎn)，降低有效發(fā)波次數(shù)----各廠家已應(yīng)用；

3）Vce邊沿交錯(cuò)控制最小化dv/dt，使得干擾電流峰值最低，同時(shí)對損耗沒有影響；

4） Vce邊沿變緩設(shè)計(jì)

a） 固定參數(shù)設(shè)計(jì)----應(yīng)用較多，一般負(fù)載越重開關(guān)損耗越大，與EMI互為矛盾點(diǎn)，需要權(quán)衡；

b） dv/dt在線調(diào)整控制，最優(yōu)化EMI與損耗的折中設(shè)計(jì)。

3. Vce邊沿交錯(cuò)控制

邊沿交錯(cuò)控制的本質(zhì)是增大各個(gè)管子開通關(guān)斷的時(shí)間間隔，使得各個(gè)電壓波形邊沿不重疊，降低dv/dt，從而減小干擾。

1） 設(shè)計(jì)點(diǎn)：改變死區(qū)時(shí)間來完成邊沿交錯(cuò)的控制，但要注意時(shí)間不宜過大，一般錯(cuò)開共模電流第一個(gè)波峰寬度就可以了，參見圖3和圖16所示。

圖16邊沿交錯(cuò)控制示意圖

2） 負(fù)面影響：因死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)控制，可能帶來驅(qū)動(dòng)器輸出電流的非正玄化，需要額外的手段進(jìn)行正玄化的處理。

3） 應(yīng)用場合：特定場合。

4. dv/dt在線調(diào)整控制

因電機(jī)負(fù)載的電感特性，使得IGBT開關(guān)動(dòng)作時(shí)，電流不會(huì)立即降為零，需要等到CE兩級(jí)的載流子逐漸消失后，才能徹底的關(guān)斷，電感中的電流變化影響著IGBT的turn on與turn off時(shí)間。線調(diào)整控制的本質(zhì)是找到dv/dt與輸出電流的周期性變化規(guī)律，從而設(shè)計(jì)出適合的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，使得EMI與損耗最優(yōu)化。實(shí)際測試中也發(fā)現(xiàn)dv/dt與驅(qū)動(dòng)參數(shù)及輸出電流大小等因素相關(guān)。

◆驅(qū)動(dòng)器不接電機(jī)，dv/dt測量很穩(wěn)定，在不同運(yùn)行頻率下測得的結(jié)果都一樣；

◆驅(qū)動(dòng)器接電機(jī)（空載與加載），dv/dt隨電流的變化而變化。在相同的IGBT的g極驅(qū)動(dòng)參數(shù)下，電流越大dv/dt越小。

1） 設(shè)計(jì)點(diǎn)：由變化過程中過零點(diǎn)為dv/dt最大點(diǎn)，保證過零點(diǎn)dv/dt滿足EMI要求，再根據(jù)輸出不同電流動(dòng)態(tài)調(diào)整dv/dt，使得趨近于過零點(diǎn)的dv/dt。其驅(qū)動(dòng)控制電路示意圖參見圖17，dv/dt的驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)方向參見圖18。

圖17驅(qū)動(dòng)控制電路示意圖

（a）上升沿dv/dt設(shè)計(jì)

（b）下降沿dv/dt設(shè)計(jì)

圖18 dv/dt設(shè)計(jì)方向

dv/dt在線調(diào)整控制的優(yōu)點(diǎn)：

◆dv/dt在整個(gè)周期內(nèi)為滿足EMI需求的最大值，大大減小了開關(guān)損耗，最優(yōu)化EMI與損耗的設(shè)計(jì)；

◆不需要在IGBT的E級(jí)上串如電感，而引發(fā)的諧振風(fēng)險(xiǎn)；

G級(jí)驅(qū)動(dòng)部分，有以下兩種實(shí)現(xiàn)方法：

◆采用不同的驅(qū)動(dòng)參數(shù)組合；

◆采用柵極電流控制芯片。

2） 負(fù)面影響：增加控制電路與電流檢測電路，成本增加，控制稍復(fù)雜。

3） 應(yīng)用場合：通用。

5. 應(yīng)用案例調(diào)查

1） 邊沿交錯(cuò)控制技術(shù)目前了解到還沒有企業(yè)來做，未來特性場合下可能會(huì)有應(yīng)用；

2） 不同驅(qū)動(dòng)參數(shù)組合的動(dòng)態(tài)調(diào)整，已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用（例：某公司的深海探測器的高壓電源產(chǎn)品，解決系統(tǒng)自擾問題）。

3） 柵極電流控制芯片，在行業(yè)有應(yīng)用，功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)芯片廠家也已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)品或根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制。
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