文章来源：《电力电子技术》
作者：李宇雄，陈材，康勇（华中科技大学，湖北武汉430074）
摘要：为减小碳化硅（SiC)器件的高频电磁干扰（EMI)，提出一种具有低寄生电感和对地电容的混合封装结构SiC功率模块来抑制传导EMI。构建了两个具有同样功率回路和驱动电路的Buck变换器进行实验验证。两个变换器分别采用所提功率模块和TO-247封装的商用器件。实验证明低寄生电感可大幅增加开关速率但对EMI影响甚微；而低对地电容能有效减小地面电流。考虑到软开关也能减小EMI，在此进一步对比两个变换器在两种工况下的EMI噪声，证明所提结构功率模块在两种工况下均可有效抑制共模噪声。
1、引言
随着宽禁带半导体功率器件的发展，SiC由于其多种优越的素质，显示出取代硅基功率器件的巨大潜力。其极具吸引力的优点是开关速率极高，可减少开关损耗和增加开关频率，因此SiC器件可减小无源元件尺寸，从而提高功率密度。EMI噪声会随着开关速度和频率增加而增加，这就意味着EMI滤波器尺寸需要随之增大，许多文献对EMI滤波器进行了研究。然而EMI滤波器体积的增大不利于功率密度的提高，因此这里从模块结构的角度出发，针对如何在加入EMI滤波器之前降低EMI噪声进行了研究。
通过优化功率模块的功率回路来减小寄生参数是抑制EMI噪声的一种方法。然而，对于商业封装的SiC器件，在这种快速开关条件下寄生参数仍很大，限制了进一步的优化。因此，优化功率SiC模块中的裸芯片封装结构更加优越。
SiC器件有许多封装结构，引线键合结构由于其技术成熟，在目前的商业电源模块中被广泛应用，但其寄生电感很难进一步下降。平面结构具有低寄生电感和双面冷却的优点，然而，这些结构需要复杂的焊接工艺。混合封装结构具有低寄生电感的优点，制造工艺相对双面结构也较为简单。然而，上述结构只着眼于减少寄生电感，而忽视寄生电容，而它正是影响共模EMI的主要因素。因此，设计了如文献所示的混合封装结构，使其具有极低的寄生电感和寄生电容。
为验证设计的有效性，测试了由功率模块构成的Buck变换器的传导EMI噪声，并与商用SiC器件进行比较。此外，软开关技术也是降低EMI噪声的一种方法，因而这里还对硬开关和软开关引起的EMI也进行了测量和比较。
在此介绍了所提功率模块，并将其与TO-247封装的商业SiC元件寄生参数进行比较。并进行了两个变换器的EMI噪声测试与比较：其中1个由SiC功率模块构成，另1个则是由商业SiC器件组成。比较时采用了连续电流调制（CCM)（硬开关）和三角电流调制（TCM）（软开关）两种调制方式。最后给出了结论。
2、SiC半桥功率模块结构及其寄生参数
2.1封装模块、变换器电路和栅极驱动器
所采用SiC功率模块封装结构如图1a所示。该模块包含1层直接敷铜（DBC)基板和1层印制电路板（PCB），两者通过焊料层相连。2个SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）裸片（cpm2-1200-0080b）和SiC二极管裸芯片（cpw4-1200-s020b）焊接在DBC上构成半桥。MOSFET漏极和二极管阴极焊接到DBC层，MOSFET源极、栅极和二极管阳极通过铝键合线连接到PCB层。所提半桥模块尺寸只有21mmx11.5mm,SiCMOSFET(C2M0080120D）和二极管（c4d10120d)都是TO-247封装，尺寸为21mmx16mm。得益于封装方法，整个半桥模块尺寸小于TO-247封装，因而寄生参数更小。商用SiC器件如图1b所示。
用于分析与实验的两个Buck变换器见图2，3,两者驱动电路完全一致，如图2b。唯一区别在于其中1个是由商用分立元件构成，如图3a，而另一个是由图3b封装模块构成。采用功率模块的变换器面积减少了一半以上，有利于功率密度的提高。
2.2寄生电感及其影响对比
高开关速度是SiC器件最重要的优点之一，一方面开关速度越快，开关损耗越小，可以实现的开关频率越高：另一方面，共模干扰主要是由于半桥输出节点电压变化引起的，因此开关频率越高，电压变化率（du/dt）和电流变化率（di/dt）越大，EMI越大。同时寄生参数对开关特性也有较大影响，特别是在高速开关情况下。这意味着寄生参数会对高频范围内的EMI噪声产生影响。
电源模块电流回路如图4所示，通过布局设计使得上下两层中电流流向相反，以此实现自感和互感相互抵消，从而有效减小寄生电感。这里使用ANSYSQ3D有限元分析软件提取寄生电感，结果表明，功率模块总寄生电感仅3.38nH。商用器件寄生参数可通过官方提供的器件模型获取，1个TO247封装SiC器件就具有15nH的寄生电感，则由TO-247器件组成的半桥至少有30nH的总寄生电感。可见这里采用的半桥模块有效地减小了寄生电感，从而有利于实现更高的开关速度。
图5为半桥模块工作时Vz两端电压uap和商业SiC器件电压ua.c。由于寄生电感减小，开关速度明显增加，由图5a，b可见，电压上升时间从20ns降低为11ns，电压下降时间从26ns减少至20ns。图4c为开关频率300kHz时u频谱，20MHz以下两变换器频域谱基本一致，但在20MHz以上时所提功率模块的频域谱有一定提高。结果表明，功率模块通过减小寄生电感有效提高了开关速度，与此同时EMI噪声源在高频范围内略有增加。
2.3寄生电容及其影响对比
Buck电路共模传导路径如图6所示，LISN为线性阻抗稳定网络，半桥中点与散热器产生的寄生电容在共模传导路径中占主导作用，因此减小该寄生电容对抑制共模干扰具有重要意义。
图7展示了功率模块和商用SiCMOSFET的示意图。功率模块的输出节点铜层面积120mm²，DBCAIN层厚度为0.65mm，AIN相对介电常数为9，可以得到功率模块寄生电容为15pF。所选商用SiCMOSFET和SiC二极管封装皆为TO-247，单个器件的漏极面积约为200mm²。硅胶片放置在商用SiC器件与散热器之间实现绝缘和热传导，其厚度为0.3mm，相对介电常数为5.25，可得一个商业SiC器件的寄生电容为31pF。因此，由商用SiC器件组成的半桥输出节点的寄生电容为62pF（1个SiCMOSFET和1个SiC二极管）。由此可见，所提封装模块寄生电容降低了75%。
如图6给出流经散热器的对地电流测量方式，该电流为共模噪声的主导部分。电流探头为TCP305A，其波形如图8a，b所示。可见，即使功率模块中开关管的du/dt是商用器件的近两倍，功率模块接地电流的峰值只有商业器件的一半，同时前者的电流振荡也更小，说明共模电流可通过具有极低寄生参数的封装结构进行有效抑制。
3、传导EMI实验测量与对比
3.1实验测试设置
图9给出了传导EMI的测试电路。测试环境中DC/DC变换器被放置在参考接地平面上，其散热器接地。400V的直流电源与变换器通过良好接地的LISN(SCHWARZBECKNNBM8126A890)相连。两个DC/DC变换器前者由商用SiC组件组成，另一个由SiC功率模块组成。
两个变换器进行测试时工作条件一致，输出功率1.6kW开关频率300kHz、占空比0.5。EMI接收机为ROHDE&SCHWARZESL3，传感器为EZ17,分辨率带宽设置为9kHz。两个变换器被放置在同一测试环境中，使用相同的测量设备。差模和共模EMI噪声使用中的方法进行分离。此外，传导EMI噪声测量分别在CCM和TCM下进行。
3.2、封装模块与商用器件的传导EMI对比
测试时两个变换器均使用CCM，实验结果见图10。图10a展示了两个变换器中差模EMI噪声结果对比，两者差模EMI噪声在开关频率（300kHz）达到峰值105dBμA，之后以约40dB每十倍频程的幅度下降，并在10~20MHz之间的范围有所上升，但两者的差模EMI未显示出明显差异。两个变换器共模干扰噪声如图10b所示。功率模块的共模EMI与商用分立器件相比有明显减小：在300kHz~15MHz的频率范围内减小了10dB。所提SiC功率模块因寄生电容极小，可有效抑制共模EMI。此外，两个变换器共模EMI峰值都出现在300kHz，且峰值都为93dBμA，这是因为很难确保整个测试电路绝对平衡，且电路参数不平衡，差模噪声可转变为共模噪声。由图10可见，在300kHz时差模干扰幅值比共模干扰高很多，故转化的差模EMI覆盖原共模EMI，使得此频率点对比不太明显。
3.3、TCM和CCM方式下传导EMI对比
TCM在高功率密度变换器中得到广泛关注。为量化调制影响，在同一变换器中采用TCM和CCM进行比较，如图11。由图11a可见，TCM的差模EMI噪声总体上高于CCM。当频率范围在10MHz以下时与CCM相比，TCM引起的差模干扰在开关频率的奇数倍频时高3dB，偶数倍频时高10~20dB。频率范围在10MHz以上时，TCM显示了一定的抑制差模干扰能力，但并不明显。对于共模干扰，如图11b，除开关频率外，TCM可稍稍降低共模EMI。
图12为两个变换器使用TCM的EMI噪声。与图10无明显差别。两个变换器差模干扰几乎相同，而功率模块共模EMI比商业化器件小10dB。
由以上比较可得：①在低频范围（10MHz以下）内，特别是在开关频率的奇数倍频时，TCM带来更高的差模EMI噪声；②除了开关频率外，TCM可稍微抑制共模干扰噪声；③在使用TCM时，所提功率模块仍能明显降低共模干扰。
4、结论
从封装结构出发，提出一种具有超低寄生电感和低对地寄生电容的混合封装结构SiC半桥功率模块。低寄生电感可提高开关速度，低寄生对地电容可抑制接地电流。实验表明，该功率模块比商用SiC器件具有更快的开关速度和更低的共模干扰。此外，在CCM和TCM工况下，功率模块在高频率范围内可将共模EMI降低约10dB。从功率模块内部结构的优化抑制EMI的思路，对模块设计和EMI抑制的研究均有指导意义。然而这里主要通过实验测量对比进行研究，对功率模块内部各寄生参数对EMI影响的理论分析仍待进一步的工作。
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