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。本文從器件物理機制出發(fā)，結(jié)合工程實踐，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材料的高擊穿場強(10倍于硅)，其少數(shù)載流子壽命較短，反向恢復(fù)時間(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

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。實驗表明，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)計和幾何形狀為EMI建模提供了可能，設(shè)計人員得以在早期階段便預(yù)測和把握系統(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)過程中會產(chǎn)生傳導(dǎo)型EMI。這是因為在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，器件兩端的電壓和流經(jīng)的電流會迅速發(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間的脈沖波形在不同頻率條件下的頻譜輻射衰減情況。對于理想化的方形波，其輻射頻譜幅度會以每十倍頻程20dB的速度遞減;而對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)計會增加，而跨頻衰減速度則會相應(yīng)減慢。

這一系列權(quán)衡要求電力電子設(shè)計人員精心平衡開關(guān)頻率、邊延速率和產(chǎn)生的EMI。為了提高系統(tǒng)密度，設(shè)計人員可能會選擇提升開關(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，進(jìn)而增加輻射量。同時，提高開關(guān)頻率還會增加開關(guān)損耗。為了抵消這些損耗，設(shè)計人員可能會嘗試提升邊延速率(即di/dt和dv/dt)，以減少開關(guān)損耗。但遺憾的是，這樣做反而會進(jìn)一步提升系統(tǒng)在高頻段的輻射量。因此，在應(yīng)用場景中提高開關(guān)頻率并采用高性能寬禁帶器件(例如SiC)時，設(shè)計人員必須充分考慮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)計人員對元件和系統(tǒng)有深入的了解，但能有效地優(yōu)化系統(tǒng)并減少輻射，同時充分利用碳化硅在提升效率和功率密度方面的優(yōu)勢。

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，會在兩者之間放置一種電絕緣的導(dǎo)熱材料，但這實際上形成了一個小平行板電容。高頻共模電流可能在此流動，為系統(tǒng)提供了額外的輻射路徑。圖 2 展示了這一概念。在測試中，被測設(shè)備 (EUT) 產(chǎn)生的高頻共模噪聲會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)范測試。因此，在設(shè)計時必須充分考慮這一 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)計來減小寄生電容和電感。

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