在數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)向高密度、高頻化演進(jìn)的進(jìn)程中，碳化硅(SiC)MOSFET憑借其低導(dǎo)通電阻、高頻開關(guān)特性及高溫穩(wěn)定性，成為替代傳統(tǒng)硅基IGBT和MOSFET的核心器件。然而，其高速開關(guān)過程中產(chǎn)生的直流電磁干擾(EMI)、體二極管反向恢復(fù)電流及開關(guān)振鈴現(xiàn)象，正成為制約系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵瓶頸。本文從器件物理機(jī)制出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)踐，系統(tǒng)分析SiC MOSFET的直流EMI特征，并提出體二極管反向恢復(fù)與開關(guān)振鈴的協(xié)同抑制策略。

SiC MOSFET的直流EMI主要源于其開關(guān)過程中的高di/dt(電流變化率)和高dv/dt(電壓變化率)。以650V SiC MOSFET在LLC諧振拓?fù)渲械膽?yīng)用為例，其開關(guān)頻率可達(dá)45kHz，遠(yuǎn)高于硅基IGBT的20kHz上限。高頻開關(guān)導(dǎo)致：

寬頻噪聲譜：噪聲能量從100kHz延伸至1GHz，覆蓋CISPR 32 Class B等標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵頻段，增加濾波設(shè)計(jì)難度。

共模噪聲突出：高頻電流通過寄生電容耦合至地，形成共模干擾，威脅敏感電路(如CPU、存儲(chǔ)器)的穩(wěn)定性。

非線性噪聲成分：體二極管反向恢復(fù)電流與開關(guān)振鈴的相互作用，產(chǎn)生非線性諧波，加劇EMI復(fù)雜性。

SiC MOSFET的體二極管雖為PN結(jié)結(jié)構(gòu)，但因SiC材料的高擊穿場(chǎng)強(qiáng)(10倍于硅)，其少數(shù)載流子壽命較短，反向恢復(fù)時(shí)間(trr)較硅基快恢復(fù)二極管(FRD)縮短80%以上。然而，在感性負(fù)載(如電感、變壓器漏感)作用下，反向恢復(fù)電流仍可能達(dá)到峰值電流的30%-50%，引發(fā)：

電壓尖峰：反向恢復(fù)電流與寄生電感(Lp)作用，產(chǎn)生ΔV=Lp·di/dt的過沖電壓，威脅器件安全。

EMI輻射：高頻反向恢復(fù)電流通過寄生電容(Cj)形成天線效應(yīng)，輻射噪聲能量。

2. 抑制策略：從器件選型到電路設(shè)計(jì)

器件選型：優(yōu)先選擇低Qrr(反向恢復(fù)電荷)的SiC MOSFET，如英飛凌CoolSiC?系列，其Qrr較硅器件降低90%。

RC吸收電路：在二極管兩端并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)(C=100pF-1nF，R=10Ω-100Ω)，吸收反向恢復(fù)能量，抑制電壓尖峰。例如，在48V直流系統(tǒng)中，RC吸收可將電壓過沖從3倍輸入電壓降至1.2倍。

飽和電抗器：串聯(lián)非晶合金磁環(huán)飽和電抗器，利用其高頻下高感量特性，限制反向恢復(fù)電流上升率(di/dt)，使電流波形軟化。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可降低EMI輻射10dBμV以上。

開關(guān)振鈴：從寄生參數(shù)到阻尼控制，振鈴的寄生參數(shù)模型

開關(guān)振鈴由寄生電感(Lp)與寄生電容(Coss)形成LC諧振回路產(chǎn)生。在SiC MOSFET中，高頻開關(guān)導(dǎo)致：

寄生電感：PCB走線、器件封裝引腳電感(典型值10nH-50nH)成為振鈴能量源。

寄生電容：MOSFET輸出電容(Coss)與二極管結(jié)電容(Cj)共同構(gòu)成諧振電容(典型值100pF-1nF)。

由于功率模塊的設(shè)計(jì)和幾何形狀為EMI建模提供了可能，設(shè)計(jì)人員得以在早期階段便預(yù)測(cè)和把握系統(tǒng)中的EMI反應(yīng)。

相鄰或共用的電子器件，其導(dǎo)電回路容易受到電磁干擾(EMI)的影響，導(dǎo)致工作過程出現(xiàn)異常。為確保各電氣系統(tǒng)在共同環(huán)境中能和諧共存，不相互干擾，就必須采取措施最大程度地降低輻射。通常，功率半導(dǎo)體器件如硅(Si)IGBT和碳化硅(SiC)MOSFET在高速開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)型EMI。這是因?yàn)樵陂_關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，器件兩端的電壓和流經(jīng)的電流會(huì)迅速發(fā)生變化，產(chǎn)生dv/dt和di/dt，進(jìn)而在開關(guān)頻率的諧波頻率上激發(fā)出EMI。

開關(guān)頻率和邊延速率(即器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度)是決定開關(guān)過程中產(chǎn)生的EMI的關(guān)鍵因素。通常，最高輻射值會(huì)出現(xiàn)在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍上。例如，若開關(guān)頻率為100kHz，那么輻射頻譜的峰值將出現(xiàn)在100kHz、200kHz、300kHz等頻率上。圖1描繪了具有不同上升時(shí)間的脈沖波形在不同頻率條件下的頻譜輻射衰減情況。對(duì)于理想化的方形波，其輻射頻譜幅度會(huì)以每十倍頻程20dB的速度遞減;而對(duì)于理想化的三角形波，其頻譜將更快速地衰減，每十倍頻程下降40dB。因此，實(shí)際電力電子設(shè)備所產(chǎn)生的梯形波的頻譜衰減將介于這兩者之間，具體衰減幅度取決于邊延速率。隨著器件開關(guān)速度的加快，諧波頻率上的輻射預(yù)計(jì)會(huì)增加，而跨頻衰減速度則會(huì)相應(yīng)減慢。

這一系列權(quán)衡要求電力電子設(shè)計(jì)人員精心平衡開關(guān)頻率、邊延速率和產(chǎn)生的EMI。為了提高系統(tǒng)密度，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇提升開關(guān)頻率，從而減少低次諧波的影響。然而，這可能導(dǎo)致輻射向更高頻率移動(dòng)，進(jìn)而增加輻射量。同時(shí)，提高開關(guān)頻率還會(huì)增加開關(guān)損耗。為了抵消這些損耗，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)嘗試提升邊延速率(即di/dt和dv/dt)，以減少開關(guān)損耗。但遺憾的是，這樣做反而會(huì)進(jìn)一步提升系統(tǒng)在高頻段的輻射量。因此，在應(yīng)用場(chǎng)景中提高開關(guān)頻率并采用高性能寬禁帶器件(例如SiC)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須充分考慮EMI的影響。

系統(tǒng)的整體輻射不僅與電力電子設(shè)備的開關(guān)行為有關(guān)，還受到噪聲與其他系統(tǒng)耦合方式的影響。我們的目標(biāo)是控制開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的頻譜含量在系統(tǒng)之內(nèi)，或使輻射遠(yuǎn)離關(guān)鍵元件。為此，常采用的方法是在電力電子設(shè)備的輸入和輸出端增加 EMI 濾波器，這些濾波器允許所需頻率通過，同時(shí)處理或吸收不需要的頻率。然而，EMI 濾波器體積較大且成本較高，因此需要縮小其尺寸以優(yōu)化成本和功率密度。

另一種更有效的方法是在設(shè)計(jì)初期就考慮耦合問題。通過精心優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的小寄生耦合參數(shù)，或平衡布置無源元件以減少寄生耦合周圍的輻射，可以在不使用 EMI 濾波器的情況下顯著降低輻射。這種方法要求設(shè)計(jì)人員對(duì)元件和系統(tǒng)有深入的了解，但能有效地優(yōu)化系統(tǒng)并減少輻射，同時(shí)充分利用碳化硅在提升效率和功率密度方面的優(yōu)勢(shì)。

寄生電容是電力電子系統(tǒng)中普遍存在的一種重要寄生耦合，主要位于半導(dǎo)體和散熱器之間。通常，會(huì)在兩者之間放置一種電絕緣的導(dǎo)熱材料，但這實(shí)際上形成了一個(gè)小平行板電容。高頻共模電流可能在此流動(dòng)，為系統(tǒng)提供了額外的輻射路徑。圖 2 展示了這一概念。在測(cè)試中，被測(cè)設(shè)備 (EUT) 產(chǎn)生的高頻共模噪聲會(huì)通過絕緣電容流向基板，進(jìn)而流向散熱器和其他系統(tǒng)元件，如線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN)。這可能導(dǎo)致頻譜輻射增加，使 EUT 無法通過輻射規(guī)范測(cè)試。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮這一 CM 噪聲路徑，以滿足規(guī)范要求。

MOSFET內(nèi)部的寄生參數(shù)也是影響EMI的重要因素。這些寄生參數(shù)包括柵極到源極電容(CGS)、柵極到漏極電容(CGD)以及漏極到源極電容(CDS)等。在開關(guān)過程中，這些電容會(huì)與快速變化的電壓和電流相互作用，導(dǎo)致電磁干擾的產(chǎn)生。為了降低寄生參數(shù)對(duì)EMI的影響，可以采取以下措施：

1. 選擇具有低寄生參數(shù)的MOSFET器件。

2. 通過合理的版圖布局和走線設(shè)計(jì)來減小寄生電容和電感。

3. 在必要時(shí)，可以考慮在電路中添加外部補(bǔ)償電容或電感來抵消寄生參數(shù)的影響。