PWM控制型IGBT的EMI機(jī)理與抑制優(yōu)化設(shè)計方法探討

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)動器類IGBT控制方式，特別是變頻器類，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)波方式會有所差別。

同時抓取上橋T1、T3、T5的Vce波形，來綜合說明驅(qū)動器運(yùn)行過程中的Vce的發(fā)波模式。

發(fā)波模式示意圖

• 模式1：剛啟動或0HZ運(yùn)行時，三個管子的邊沿（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，三個管子波形逐漸錯開，兩個管子的邊沿（上升沿或下降沿）重疊在一起；
• 模式3：速度穩(wěn)定時，三個管子邊沿交錯開，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；

（2）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3Icm、模式2峰值干擾電流為2Icm、模式3峰值干擾電流相當(dāng)為1Icm。

（3）干擾強(qiáng)度比較

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

（4）同一驅(qū)動參數(shù)下dv/dt隨輸出電流變化的特性

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dv/dt最??；
• 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：

• 0HZ或低頻不發(fā)波，或啟動頻率提高（如1HZ以上才發(fā)波）；
• 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)；
• Vce邊沿交錯控制最小化dv/dt，使得干擾電流峰值最低，同時對損耗沒有影響；
• Vce邊沿變緩設(shè)計；
• 固定參數(shù)設(shè)計----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；
• dv/dt在線調(diào)整控制，最優(yōu)化EMI與損耗的折中設(shè)計；

3. Vce邊沿交錯控制

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

（1）設(shè)計點(diǎn)

改變死區(qū)時間來完成邊沿交錯的控制，但要注意時間不宜過大，一般錯開共模電流第一個波峰寬度就可以了。

邊沿交錯控制示意圖

（2）負(fù)面影響

因死區(qū)時間的調(diào)節(jié)控制，可能帶來驅(qū)動器輸出電流的非正弦化，需要額外的手段進(jìn)行正弦化的處理。

（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)動作時，電流不會立即降為零，需要等到CE兩級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)計出適合的驅(qū)動參數(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)動參數(shù)及輸出電流大小等因素相關(guān)。

• 驅(qū)動器不接電機(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)動參數(shù)下，電流越大dv/dt越??；

（1） 設(shè)計點(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)輸出不同電流動態(tài)調(diào)整dv/dt，使得趨近于過零點(diǎn)的dv/dt。其驅(qū)動控制電路示意圖參見圖16，dv/dt的驅(qū)動參數(shù)設(shè)計方向參見圖17。

圖16 驅(qū)動控制電路示意圖

圖17 dv/dt設(shè)計方向-上升沿dv/dt設(shè)計

圖17 dv/dt設(shè)計方向-下降沿dv/dt設(shè)計

（2）dv/dt在線調(diào)整控制的優(yōu)點(diǎn)

• dv/dt在整個周期內(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；
• 不需要在IGBT的E級上串電感，而引發(fā)的諧振風(fēng)險；

（3）G級驅(qū)動部分，有以下兩種實(shí)現(xiàn)方法

• 采用不同的驅(qū)動參數(shù)組合；
• 采用柵極電流控制芯片；

（4） 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；

（5） 應(yīng)用場合

通用。

5. 應(yīng)用案例調(diào)查

• 邊沿交錯控制技術(shù)目前了解到還沒有企業(yè)來做，未來特性場合下可能會有應(yīng)用；
• 不同驅(qū)動參數(shù)組合的動態(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）。
• 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。