【论文】交错式PFC全SiC模块和混合SiC模块在辐射噪音方面的比较

作者：Shin Suzuki, Toshiya Tadakuma, Motonobu Joko三菱电机功率器件制作所
本文共计2373字，阅读约需8分钟。

摘要

summary

作为一种宽禁带（WBG）器件，SiC以其高速开关性能著称，由于其高速下的可控性，被应用于PFC电路。另一方面，基于CISPR和IEC两个标准或其一，小功率逆变器在各种应用情况下都应考虑传导噪声和辐射噪声。一般情况下，PFC的传导噪声比普通整流器低，而对辐射噪声研究得较少。本文根据可视化的磁场和导通电流相关性的评价结果，从辐射噪声的角度阐述了使用全SiC的交错式PFC相对使用混合SiC的交错式PFC所带来的优势。

1. 引言

小功率应用一般采用功率因数校正（PFC）电路，以符合IEC61000-3-2高次谐波电流标准。高次谐波的评测由功率分析仪根据标准进行，在150kHz和30MHz之间的传导噪声使用线路阻抗稳定网络（LISN）进行测试，超过30MHz的辐射噪声在消声室中根据应用的不同按照IEC或CISPR标准进行测试 [1]。
控制电机的功率变换系统主要由整流器、PFC、逆变器和电机组成，通常作为整个系统进行测试，但最近更倾向于将每个部分作为元件单独进行测试和确认。本文重点研究了PFC和外围设备的辐射噪声，尤其是交错式PFC[2][3]，并为此准备了两种类型的交错式PFC模块，一种是由Si IGBTs和SiC SBDs组成并带驱动IC的模块(称为混合SiC PFC模块)，另一种是由SiC MOSFET和SiC SBD组成并带驱动IC的模块(称为全SiC PFC模块)。本文根据可视化的磁场和导通电流依赖性的评估结果，从辐射噪声的角度描述了全SiC交错式PFC相对于混合SiC交错式PFC的优势。

2. PFC的辐射噪声

待测装置的测试系统及其框图分别如图1和图2所示。该系统由单相电源、单相整流桥、平滑电容器（470µF）、两个电抗器（250µH，DCL）、电阻器负载组（600欧姆）、PFC功率模块、直流电源（15V）、PWM信号输入和双锥型天线组成，双锥型天线用于测量辐射噪声信号（称为RNS）。控制条件为：单相输入电流（Iin1和Iin2）为5Arms，输入频率（Fin）为60Hz，升压后平滑电容器电压（Vout）为300V，载频（fc）为20kHz。两个PFC模块均为断续电流工作模式(Discontinuous Current Mode),天线按照CISPR16标准放置在3m距离处[4]。
图1 测试系统 图2 测试系统框图

图3为全SiC PFC模块与混合SiC PFC模块的辐射噪声对比结果。结果表明，在相同频率41MHz下，全SiC PFC的辐射噪声峰值为65dBµV/m，混合SiC PFC的辐射噪声峰值为69dBµV/m。全SiC PFC模块比混合SiC PFC模块产生的电磁噪声更小。这些PFC模块的区别仅在于开关元件。因此，在这种情况下，可以说 SiC-MOSFET 在交错式 PFC 应用中比 Si-IGBT 具有更好的特性。

图3 辐射噪声测试结果

3. 确定辐射噪声产生的主要位置

为了确定辐射噪声的主要发射位置，使用三维可视化系统对待测装置周围的磁场进行扫描[5]。图4显示了从双锥天线观察到的测试对象（称为水平布局），图5显示了两个模块在图4上按10cm网格划分的近磁场测绘结果，图5中峰值点和参考点的辐射噪声数据如图6所示，结果表明PFC模块与平滑电容之间的运行电流在导线周围都会产生辐射噪声。图4 观察对象（水平布局）图5 近场磁场分布（水平布局）图6 峰值点辐射噪声数据（水平布局）
为了清楚地识别发出辐射噪声的位置，对系统的磁场进行了扫描，图7为从测量系统上方观察到的测试对象(称为垂直布局)，图8为在图7上以3cm网格划分的测绘结果，图8中峰值点和参考点的辐射噪声数据如图9所示，测试数据表明在PFC模块、平滑电容、每个DCL之间的导线是产生辐射噪声的主导位置，全SiC PFC模块产生的磁场辐射比混合SiC PFC模块要少。
图7 观察对象（垂直布局） 图8 近场磁场分布（垂直布局）图9 峰值点辐射噪声数据（垂直布局）
此外，就具体辐射噪声数据而言，混合SiC PFC模块产生最大磁场幅度的频率与图3中的辐射噪声基本一致。但在全SiC模块情况下，则没有类似的趋势，需要另外进一步分析。顺便说一句，测量了近场磁场，但幅度大小几乎呈水平分布。

4. 确定辐射噪声产生的主要时间

这种对系统的扫描方法间接删除了时间信息。噪声是阻抗路径和信号源组合而成的结果，在这种情况下，电流特性和电压骚扰的源头都来自于开关操作，二者作为开关特性都具有电流相关性。
为了确认是开通还是关断主导了电流相关性，测量了PFC运行期间的辐射噪声。测量系统与图1中的辐射噪声测量相同，通过测量双锥天线的RNS来监测辐射噪声。考虑到辐射噪声的传播时间周期和RNS的传输时间，同时监测了导通电流（Iin1、Iin2）和RNS。图10（a）显示了Iin1、Iin2和RNS在交错式PFC运行的一个周期中的代表性波形，图10（b）显示了放大视图。RNS在开关器件开通或关断时作出响应，关断时刻的电流是产生辐射噪声的主要因素，而不是开通时刻。

（a）

（b）

图 10 PFC 工作电流和辐射噪声波形  
与此对应的两个PFC模块的关断电流和辐射噪声的依赖关系如图11所示。在全SiC PFC模块的情况下，图11显示辐射噪声随关断电流的增大而单向增加。另一方面，混合SiC PFC模块在4.5A处有一个峰值，当关断电流大于4.5A时，辐射噪声有降低趋势。对于图11中测量的电流范围，混合SiC PFC模块比全SiC PFC模块具有更高的辐射噪声。然而，这次的测量结果并没有说明SiC PFC模块和混合SiC PFC模块的辐射噪声与关断电流依赖性的差异，因此还需要另外进一步的测量。图 11 关断电流和辐射噪声关系曲线

5. 结论

为了满足高次谐波电流的标准，一般采用PFC模块，但PFC动作恰恰是辐射噪声的产生原因。实验证明，采用全SiC作为开关器件可以降低PFC开关工作时产生的辐射噪声。本文验证了PFC模块作为元件所产生的辐射噪声，将来会验证PFC运行对整个电机控制变频器系统的影响。
参考文献[1] IEC CISPR 16-1-1: Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Part 1-1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus - Measuring apparatus [2] M. Kamikura, Y. Murata, T. Kutsuki and K. Saito, "Application trend and foresight of SiC power devices to air conditioners," 2014 International Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima 2014 - ECCE ASIA), Hiroshima, 2014, [3] J. Hu, W. Xiao, B. Zhang, D. Qiu and C. N. M. Ho, "A Single Phase Hybrid Interleaved Parallel Boost PFC Converter," 2018 IEEE Energy Conversion Congress andExposition (ECCE), Portland, OR, 2018, [4] IEC CISPR 16-1-4: Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Part 1-4: Radio disturbance and immunity measuring apparatus - Antennas and test sites for radiated disturbance measurements[5] T. Tadakuma, K. Nishi, M. Rogers and M. Shoyama, "Dominant Timing Direct Identification for Radiation Noise due to Extended Double Pulse Test on Bare SiC MOSFET and Si RC-IGBT Chips," 2020 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity (EMCSI), Reno, NV, USA, 2020