逆变器的寄生参数对EMC的影响

逆变器的寄生参数，如寄生电容、寄生电感等，会对逆变器的电流、电压波形产生直接影响。在逆变器运行过程中，这些寄生参数可能与电路中的其他元件产生相互作用，形成谐振回路，导致电磁干扰（EMI）的产生。

同时寄生电感和寄生电容的存在会引起开关器件在开关瞬间产生过冲和振铃。这些过冲和振铃不仅会增加EMI，还可能损坏开关器件，影响逆变器的可靠性。

逆变器桥寄生参数

逆变器母线寄生参数

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逆变器的寄生参数路径有哪些？

在电路理论中，寄生参数是指那些在理想电路模型中不存在但在实际电路中自然存在的额外效应或非理想效应。这些参数不是设计者直接设置或选择的，而是由于制造工艺、材料特性、物理尺寸等因素产生的附加参数，对电路性能有一定的影响，有时可能会带来负面效果，如电磁干扰（EMI）、效率降低或性能不稳定等。

逆变器的寄生参数主要指的是那些非理想因素引起的、在电路设计和分析中需要考虑的额外电气特性，这些参数通常不是逆变器设计的主要目标，但它们会对电路的性能产生影响。

寄生参数在逆变器中的功率传输路径上由于各种非理想因素而产生的额外电气参数。这些参数通常不是设计时的主动组成部分，但在电路分析和设计中却必须考虑，因为它们对电路EMC的性能和稳定性有重要影响。

1、逆变器的寄生参数类型：
（1）寄生电容：

寄生电容通常存在于逆变器的开关器件和地之间。当开关器件高速开关时，会通过寄生电容形成共模电流，这些电流会通过接地系统或电源线传播，导致EMI问题。

主要包括正直流母线与参考地之间的寄生电容、逆变器各桥臂中点与散热器之间的寄生电容等。这些电容是由于导体间的电场效应引起的，会在导体之间形成电场，从而存储电能。如栅极-源极间的分布电容（Gate-Source Capacitance, C.gs）、栅极-地之间的电容（Gate-Ground Capacitance, C.gg）以及晶体管本身的极间电容。

• 逆变器中不同电路板、元器件间以及电路与地之间的寄生电容，能够耦合高频噪声，影响信号完整性，也可能增加电磁辐射，对emc测试结果造成不良影响。
• 栅极到漏极电容 (Cgd)：在MOSFET等开关器件中，栅极与漏极之间存在寄生电容，这会影响信号的传输速度和开关损耗。
• 栅极到源极电容 (Cgs)：同样在MOSFET中，栅极与源极之间的电容会影响驱动能力和开关速度。
• 交叉电容：在集成电路中，相邻导线或元件间的电容耦合，可能引起信号串扰。
  

（2）寄生电阻：

寄生电阻主要由导体材料的电阻率、导体截面积和长度等因素造成。在逆变器中，寄生电阻会导致电流的损耗和电压的降低，这样就会带来新的因为阻抗变化带来的电流电压的变化，从来影响EMI。

• 接触电阻：半导体器件的接触区域（如金属与半导体接触）会存在一定的电阻，影响电流流通。
• 导线电阻：实际电路板上的走线并非理想导体，会有一定的电阻，尤其是在高频或大电流应用中更为显著。
• 半导体体内电阻：在功率器件中，尤其是大尺寸的MOSFET或IGBT，半导体材料内部也会有电阻，影响效率和热管理。
  

（3）寄生电感：

寄生电感主要由线路电感、开关管漏源极电感等组成。在逆变器中，当有大电流流过时，这些电感会阻碍电流的变化，产生电压尖峰和振荡。

• 逆变器内部的开关元件如IGBT或MOSFET等，在导通和截止过程中会产生瞬间电流变化，这会在电路中形成寄生电感。例如，晶体管的栅极-源极间的分布电感（Gate-Source Inductance, L.gs）以及器件自身的分布电感。
• 互连线电感：电路板上的走线、引脚和连接器等都会产生电感，影响高频信号的传输，可能导致振荡、噪声增加等问题。
• 封装电感：半导体器件的封装结构中也存在电感，尤其是在功率模块中更为重要，影响开关瞬态过程和EMI（电磁干扰）特性。
• 晶体管、电缆或接头的分布电感，它们会影响信号的传输速度和完整性。
  

（4）互感：
互感就是当一个电路中的磁场所引起的感应效果传递给相邻电路时的现象。相邻导线或组件之间的电磁感应现象，可能导致噪声耦合和信号失真。互感对EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性）有显著影响，因为它是电磁干扰（EMI）的一个重要来源。EMC关注的是设备在电磁环境中能正常工作，同时不会对该环境中的其他设备产生不可接受的电磁干扰。互感可能在以下几个方面影响EMC测试数据：

• 传导干扰：互感会导致电流从一个导体耦合到另一个导体，这可能会增加电源线或信号线上测得的传导噪声水平。在EMC的传导发射测试中，这种耦合噪声会直接提升测试数据中的噪声底限，可能导致产品无法满足相应的传导发射限值要求。
• 辐射干扰：变化的电流产生的磁场不仅会在邻近导线中感应出电压，还会以电磁波的形式向周围空间辐射。这种辐射如果超过规定限值，会在EMC的辐射发射测试中表现出来，导致测试失败。特别是对于高频电路，互感效应更加显著，对辐射发射的测试结果影响更大。
• 敏感度/抗扰度下降：除了增加自身发射外，互感还可能使设备对周围环境中的电磁干扰更加敏感。在EMC的抗扰度测试中，互感可能使设备更容易受到外部电磁场的影响而出现误操作或功能失效，从而降低测试成绩。
  

• 信号完整性受损：在高速数字电路中，互感可引起信号线之间的串扰，导致信号失真、上升时间变缓或下降时间延长，这在时序关键的应用中尤为关键。虽然这不是直接的EMC测试项目，但会影响系统整体的性能稳定性和可靠性，间接关联到EMC合规性。
  

为了减轻互感对EMC测试数据的负面影响，设计时需要采取上述提到的措施（如屏蔽、布线优化、差分信号技术等），并通过预兼容测试（pre-compliance testing）及时发现和解决潜在的EMC问题，确保最终产品的EMC性能符合相关标准和规范。

（5）其他寄生参数：

• 互感：不同电路部分之间的磁耦合可以形成互感，影响信号完整性，特别是在高密度布局的电路板上更为显著。
• 衬底耦合：在集成电路中，器件通过半导体衬底的电容或电阻耦合，可能导致噪声注入或信号串扰。
  

2、逆变器的寄生参数路径主要包括以下几个方面：

（1）功率回路寄生参数：

• SiC MOSFET开关振荡机理：在SiC MOSFET大电压、大电流、高开关速度的应用场合下，功率回路中存在着比普通硅基MOSFET电路更高的dv/dt、di/dt。这些高变化率的电压和电流在回路中的寄生电感、寄生电容和寄生电阻上产生振荡，影响电路性能。
• 寄生电感与寄生电容的相互作用：寄生电感（如线路电感、开关管漏源极电感等）和寄生电容（如正直流母线与参考地之间的寄生电容、逆变器各桥臂中点与散热器之间的寄生电容等）相互作用，形成谐振回路，导致振荡现象。
  

（2）PCB布局寄生参数：

• PCB布局设计：在功率开关管之间采用大于等于40mil的粗、直连导线，并尽量减小它们相互之间的导线长度，以降低PCB电路寄生参数。
• 去耦电路设计：为了降低电路EMI/RFI干扰，在功率开关管附近使用合适的去耦电路，如母线滤波电容、不同材质的去耦电容等，这些电容贴近骚扰源或IC，且位置符合电流流向。
• 寄生参数与PCB的布局和布线密切相关。优化PCB布局和布线可以减少寄生电感和电容，从而降低EMI。关键是要尽量缩短高速开关路径，增加接地平面的完整性，减少电流环路面积。
  

（3）开关管与散热器的寄生参数：

• 散热器与开关管之间的寄生电容：由于碳化硅逆变器的各开关管均为碳化硅MOSFET，其源极、漏极与散热器之间可能存在寄生电容，这些电容会影响开关管的性能。
  

（4）直流母排寄生参数：

• 直流母排正负极板的寄生电感和寄生电阻：在逆变器的设计过程中，这些参数可以通过软件仿真的方法准确提取，以降低生产成本并缩短制作周期。
  

综上所述，逆变器的寄生参数路径主要存在于功率回路、PCB布局、开关管与散热器之间以及直流母排等部分。这些寄生参数会影响逆变器的性能，包括电磁兼容性（EMC）、开关振荡等。因此，在逆变器的设计和制造过程中，需要充分考虑并优化这些寄生参数，以提高逆变器的整体性能。

3、如何减小逆变器的寄生参数：

了解和分析这些寄生参数对于优化逆变器的设计至关重要，包括提高效率、减少电磁干扰(EMI)、增强稳定性以及确保高速信号的准确传输等方面。设计师通常会利用仿真软件来预测和减小这些寄生效应的影响。

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要减小逆变器的分布寄生参数，可以从以下几个方面进行考虑和优化：

1、PCB布局设计：

• 减小PCB电路寄生参数：在功率开关管之间采用大于等于40mil的粗、直连导线，并尽量减小它们相互之间的导线长度。这有助于减少由于导线长度带来的寄生电容和电感。
• 降低封装高度：尽量降低在PCB上面的封装高度，谨慎选择钽电容和二极管等器件的封装形式，以此来减少引线电感。
  

2、去耦电路设计：

• 功率开关管靠近母线滤波电容：将功率开关管尽量靠近母线滤波电容，可以使该电容的作用类似于无感薄膜电压尖峰吸收电容，有助于降低EMI/RFI干扰。
• 使用多种去耦电容：在合适的引脚直接连接不同材质的去藕电容，包括钽电容，陶瓷电容和铝电解电容，并且这些电容应贴近骚扰源或者IC，位置符合电流流向。
• 每个功率模块都进行共模抑制，添加退耦电容。
  

3、导线布局与选择：

• 驱动信号线布局：驱动信号线应严格平行等间距走线，并加大与强电功率部分的隔离，尽量在600mil以上。
• 金属层选择：从金属层的选择角度考虑，通过合理的选择可以减少导线与衬底之间的电容，从而降低寄生参数。
• 减小回路面积：减小高频电流路径的回路面积，特别是电流环路的面积，以降低寄生电感。
• 紧凑布线：尽量缩短功率开关、二极管和电容之间的连接距离，以减少寄生电感和电容。
• 分层布线：使用多层PCB，合理布置电源层和接地层，减少寄生电感和电容。
  

4、逆变器主回路设计：

• 叠层母排设计：对于逆变器主回路中的叠层母排，通过合理的物理尺寸设计可降低本体电感量。例如，沿着电流流向的长度方向尽量短，而宽度可适当变宽。
• 减少孔的数量：母排表面的孔不宜太多，孔的存在会使母排表面电流密度分布更不均匀，从而导致电感更大。
  

5、材料选择：

• 组件材料：选用介电常数较小的材料可以减小容值，同时如果组件金属边框能够用飞金属代替，例如，金属散热片用陶瓷散热器，就可以从根本上解决这个散热器的影响。
  

6、优化设计使用合适的元件：

• 低寄生元件：选择低寄生电感和电容的元件，例如使用贴片元件（SMD）代替引线元件（DIP）。
• 封装优化：使用低寄生封装的半导体器件，比如多芯片模块（MCM）或者功率模块。
• 高频电容：在电路中使用高频电容（如陶瓷电容）来旁路高频噪声。
  

7、改善接地设计：

• 单点接地：确保电源和信号有良好的单点接地，避免产生地环路。
• 接地平面：在PCB设计中使用完整的接地平面，减少电流回路的寄生电感。
  

8、使用屏蔽和滤波

• 屏蔽：使用金属屏蔽盒或屏蔽材料来隔离高频噪声源。
• 滤波：在电路中加入适当的滤波电路，如LC滤波器，以滤除高频干扰。
  

9、高速开关策略

• 软开关技术：使用软开关技术（如ZVS和ZCS）来降低开关过程中产生的高频干扰和寄生效应。
• 开关频率优化：合理选择和优化开关频率，避免在寄生参数影响最显著的频段工作。
  

10、热管理和机械设计

• 散热设计：良好的散热设计可以减少元件的温升，降低寄生参数随温度变化引起的效应。
• 机械结构：合理的机械结构设计，减少机械振动引起的电气参数变化。
  

通过上述措施，可以有效地减小逆变器的分布寄生参数，提高逆变器的EMC性能和稳定性。