PWM控制型IGBT的EMI机理与抑制优化设计方法探讨

1. 运行过程中的dv/dt特性分析

（1）波形边沿叠加特性

驱动器类IGBT控制方式，特别是变频器类，有无PG V/f 控制、带PG V/f控制、无PG矢量控制、带PG矢量控制等等不同的控制方式和术语描述，总结来说为三大类：VF、开环矢量、闭环矢量控制。不同的控制方式发波方式会有所差别。

同时抓取上桥T1、T3、T5的Vce波形，来综合说明驱动器运行过程中的Vce的发波模式。

发波模式示意图

• 模式1：刚启动或0HZ运行时，三个管子的边沿（上升沿或下降沿）重叠在一起；
• 模式2：随着运行频率的增加，三个管子波形逐渐错开，两个管子的边沿（上升沿或下降沿）重叠在一起；
• 模式3：速度稳定时，三个管子边沿交错开，无叠加出现；
• 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）干扰影响分析

• 干扰电流峰值：把单管噪声电流记为Icm=C回路dV/dt，所以，模式1峰值干扰电流相当为3Icm、模式2峰值干扰电流为2Icm、模式3峰值干扰电流相当为1Icm。

（3）干扰强度比较

因工作在模式1和模式2，所以VF控制下的噪声量级比其他控制方式下的更强，特别是0HZ或低频运行时。

（4）同一驱动参数下dv/dt随输出电流变化的特性

turn on （下降沿）与turn off（上升沿）的dv/dt的特性总结如下：

• 上升沿与下降沿在电流过零点处的dv/dt最大；
• 上升沿的dv/dt在电流正半周比在负半周大；
• 上升沿的dv/dt在电流正半周内随电流的增大逐渐变小，电流最大时dv/dt最小；
• 下降沿的dv/dt在电流负半周比在正半周大；
• 下降沿的dv/dt在电流负半周内随电流绝对值变大逐渐变小，电流绝对值最大时dv/dt最小；
• 上升沿的dv/dt在电流负半周期内随电流绝对值变大而变大；
• 下降沿的dv/dt在电流正半周期内随电流变大而变大；

2. IGBT Vce噪声源抑制方法

经过以上分析，有以下四种抑制方法：

• 0HZ或低频不发波，或启动频率提高（如1HZ以上才发波）；
• 降低五段发波与七段发波的运行切换点，降低有效发波次数；
• Vce边沿交错控制最小化dv/dt，使得干扰电流峰值最低，同时对损耗没有影响；
• Vce边沿变缓设计；
• 固定参数设计----应用较多，一般负载越重开关损耗越大，与EMI互为矛盾点，需要权衡；
• dv/dt在线调整控制，最优化EMI与损耗的折中设计；

3. Vce边沿交错控制

边沿交错控制的本质是增大各个管子开通关断的时间间隔，使得各个电压波形边沿不重叠，降低dv/dt，从而减小干扰。

（1）设计点

改变死区时间来完成边沿交错的控制，但要注意时间不宜过大，一般错开共模电流第一个波峰宽度就可以了。

边沿交错控制示意图

（2）负面影响

因死区时间的调节控制，可能带来驱动器输出电流的非正弦化，需要额外的手段进行正弦化的处理。

（3）应用场合

特定场合。

4. dv/dt在线调整控制

因电机负载的电感特性，使得IGBT开关动作时，电流不会立即降为零，需要等到CE两级的载流子逐渐消失后，才能彻底的关断，电感中的电流变化影响着IGBT的turn on与turn off时间。线调整控制的本质是找到dv/dt与输出电流的周期性变化规律，从而设计出适合的驱动参数，使得EMI与损耗最优化。实际测试中也发现dv/dt与驱动参数及输出电流大小等因素相关。

• 驱动器不接电机，dv/dt测量很稳定，在不同运行频率下测得的结果都一样；
• 驱动器接电机（空载与加载），dv/dt随电流的变化而变化。在相同的IGBT的g极驱动参数下，电流越大dv/dt越小；

（1） 设计点

由变化过程中过零点为dv/dt最大点，保证过零点dv/dt满足EMI要求，再根据输出不同电流动态调整dv/dt，使得趋近于过零点的dv/dt。其驱动控制电路示意图参见图16，dv/dt的驱动参数设计方向参见图17。

图16 驱动控制电路示意图

图17 dv/dt设计方向-上升沿dv/dt设计

图17 dv/dt设计方向-下降沿dv/dt设计

（2）dv/dt在线调整控制的优点

• dv/dt在整个周期内为满足EMI需求的最大值，大大减小了开关损耗，最优化EMI与损耗的设计；
• 不需要在IGBT的E级上串电感，而引发的谐振风险；

（3）G级驱动部分，有以下两种实现方法

• 采用不同的驱动参数组合；
• 采用栅极电流控制芯片；

（4） 负面影响

增加控制电路与电流检测电路，成本增加，控制稍复杂；

（5） 应用场合

通用。

5. 应用案例调查

• 边沿交错控制技术目前了解到还没有企业来做，未来特性场合下可能会有应用；
• 不同驱动参数组合的动态调整，已经有实际应用（例：某公司的深海探测器的高压电源产品，解决系统自扰问题）。
• 栅极电流控制芯片，在行业有应用，功率半导体驱动芯片厂家也已经有标准品或根据客户需求进行定制。