PWM控制型IGBT的EMI工程估算與基本原理分析

0. 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

干擾路徑示意圖

Cm測(cè)量示意圖

參數(shù)說明：

• 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)殼地間的分布電容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(chǎng)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）共模點(diǎn)估算：

Icm電流波形示意圖

（2）3m遠(yuǎn)處共模輻射場(chǎng)強(qiáng)估算：

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(chǎng)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)。

3. 原理分析

共模電壓等效簡化電路

Vcm共模電壓波形示意圖

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：

IGBT的Vce頻譜特性：

Vce梯形波

梯形波頻譜

4. 改變Vce的高頻部分的頻譜特性有二種方法

（1）改變幅值（B→A，使得f3→f1偏移）

幅值對(duì)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)

tr時(shí)間對(duì)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）。