SiC功率模塊時代的電力電子系統(tǒng)共模電流產(chǎn)生的機理和抑制方法

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管，SiC碳化硅MOSFET功率模塊，SiC模塊驅(qū)動板等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

1. 引言：寬禁帶半導(dǎo)體引發(fā)的電磁兼容性范式轉(zhuǎn)移

碳化硅（Silicon Carbide, SiC）功率器件的商業(yè)化進程標志著電力電子技術(shù)進入了一個全新的紀元。作為第三代寬禁帶（Wide Bandgap, WBG）半導(dǎo)體的代表，SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）憑借其卓越的材料特性——包括三倍于硅（Si）的禁帶寬度、十倍的擊穿場強以及更高的熱導(dǎo)率，正在從根本上重塑電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計理念。在固態(tài)變壓器SST、儲能變流器PCS、光伏發(fā)電、以及高頻工業(yè)電機驅(qū)動等應(yīng)用中，SiC模塊的應(yīng)用使得系統(tǒng)能夠以更高的開關(guān)頻率、更高的電壓等級和更高的結(jié)溫運行，從而顯著提升了功率密度并降低了系統(tǒng)損耗。

然而，這種性能的飛躍并非沒有代價。SiC器件極高的開關(guān)速度（Switching Speed）帶來了前所未有的電磁干擾（EMI）挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的硅基IGBT器件通常運行在較低的電壓變化率（dv/dt）和電流變化率（di/dt）下，其dv/dt通常在3-5 V/ns的范圍內(nèi)。相比之下，SiC MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)極快，其dv/dt可以輕易超過50 V/ns，甚至達到100 V/ns以上。這種數(shù)量級的提升，雖然極大地降低了開關(guān)損耗（Switching Loss），但也使得系統(tǒng)中的寄生參數(shù)效應(yīng)被急劇放大。

在這一背景下，共模電流（Common Mode Current, CMC）的產(chǎn)生與傳播機制發(fā)生了質(zhì)的變化。共模電流是指同時在兩條或多條導(dǎo)線上沿相同方向流動的電流，并通過地回路（Ground Loop）返回源端。在SiC時代，由于高頻高dv/dt的激勵，系統(tǒng)中的雜散電容（Stray Capacitance）——無論是功率模塊內(nèi)部的絕緣襯板電容、電機繞組對機殼的電容，還是長電纜對地的分布電容——都呈現(xiàn)出極低的阻抗特性。這導(dǎo)致了高幅值、高頻諧波豐富的漏電流在系統(tǒng)中流竄，引發(fā)了一系列嚴重的系統(tǒng)級問題，包括電機軸承的電腐蝕（EDM）、繞組絕緣的加速老化、保護電路的誤動作以及嚴重的電磁兼容性（EMC）合規(guī)失效。

傾佳電子在剖析SiC功率模塊應(yīng)用背景下，電力電子系統(tǒng)共模電流產(chǎn)生的深層物理機理，并系統(tǒng)性地評估從器件級、模塊級到系統(tǒng)級的抑制策略。我們將探討半導(dǎo)體物理特性如何與封裝材料科學(xué)相互作用，分析新型絕緣材料（如氮化硅Si3N4）引入后的寄生參數(shù)變化，并對比評估硬件濾波與軟件調(diào)制策略在抑制共模干擾方面的效能與權(quán)衡。

2. SiC系統(tǒng)共模電流產(chǎn)生的物理機理

要有效抑制共模電流，首先必須深刻理解其產(chǎn)生的根源。在電壓源逆變器（VSI）系統(tǒng)中，共模電壓（Common Mode Voltage, CMV）是驅(qū)動共模電流流動的電動勢源頭。其產(chǎn)生不僅與拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)，更與SiC器件的開關(guān)瞬態(tài)特性緊密相連。

2.1 高dv/dt與位移電流的微觀機制

在經(jīng)典的三相兩電平逆變器拓撲中，共模電壓定義為負載中性點與直流母線中點（或參考地）之間的電位差。其數(shù)學(xué)表達式為：

VCM?=3VAO?+VBO?+VCO??

其中，VAO?、VBO?、VCO?分別為三相輸出端相對于直流母線負極（或中點）的電壓。在空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制下，無論開關(guān)狀態(tài)如何組合，三相電壓之和都不為零。實際上，VCM?表現(xiàn)為一個階梯波，其幅值在±Vdc?/6和±Vdc?/2之間跳變。

在SiC MOSFET應(yīng)用中，這種電壓跳變的過程極度縮短。根據(jù)電容電流的基本物理定律：

iCM?=Cparasitic??dtdVCM??

共模電流的大小直接正比于寄生電容Cparasitic?和電壓變化率dv/dt。由于SiC器件的dv/dt是傳統(tǒng)Si IGBT的10到20倍，即使系統(tǒng)中的寄生電容保持不變，產(chǎn)生的共模電流峰值也可能增加一個數(shù)量級。

這種高dv/dt不僅僅是幅度的增加，它還意味著頻譜能量向更高頻率的遷移。傳統(tǒng)的EMI濾波器設(shè)計通常針對150 kHz至30 MHz的傳導(dǎo)頻段，但SiC器件極快的上升沿（Rise Time，往往小于20ns）激發(fā)了高達100 MHz甚至更高頻率的諧波分量。在這些高頻段，系統(tǒng)中的寄生電感和電容發(fā)生復(fù)雜的諧振，導(dǎo)致共模電流波形呈現(xiàn)出劇烈的振蕩和過沖，這不僅增加了EMI濾波器的設(shè)計難度，也使得傳統(tǒng)的無源濾波元件因寄生參數(shù)而失效。

2.2 寄生電容網(wǎng)絡(luò)的分布特性

共模電流的流通路徑是由系統(tǒng)中分布的寄生電容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。在SiC電機驅(qū)動系統(tǒng)中，主要存在三個關(guān)鍵的寄生電容耦合路徑，它們共同構(gòu)成了共模干擾的傳播通道：

2.2.1 功率模塊內(nèi)部的寄生電容 (Cmh?)

這是最接近噪聲源（開關(guān)管）的耦合路徑。功率模塊通常安裝在接地的散熱器上以進行熱管理。半導(dǎo)體芯片（Die）與散熱器之間必須進行電氣絕緣。這種絕緣通常通過直接覆銅（DBC）或活性金屬釬焊（AMB）陶瓷基板來實現(xiàn)。芯片背面的集電極（或漏極）銅層、陶瓷絕緣層和底板（Baseplate）構(gòu)成了一個典型的平行板電容器。

對于SiC模塊，由于其高頻工作的需求，模塊內(nèi)部的雜散電感被設(shè)計得極低（例如BASiC Semiconductor的模塊雜散電感可低至10-30 nH），但絕緣基板的電容效應(yīng)卻因材料和工藝的進步變得更加復(fù)雜。高頻共模電流直接通過這個電容流入散熱器，再通過接地線流回電網(wǎng)或源端。

2.2.2 電纜對地電容 (Ccable?)

在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，連接逆變器與電機的動力電纜往往較長（數(shù)米至數(shù)百米）。電纜的相線與屏蔽層（或大地）之間存在分布電容。隨著頻率的升高，長電纜表現(xiàn)出傳輸線效應(yīng)。SiC的高頻脈沖在電纜中傳播時，不僅通過分布電容泄漏電流，還會因阻抗不匹配產(chǎn)生反射波現(xiàn)象（Reflected Wave Phenomenon），導(dǎo)致電機端電壓倍增，進一步加劇絕緣應(yīng)力。

2.2.3 電機繞組對機殼電容 (Cwf?)

電機內(nèi)部的定子繞組與接地的機殼之間也存在寄生電容。當(dāng)共模電壓到達電機端子時，它通過這個電容驅(qū)動漏電流流入機殼。更嚴重的是，定子與轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與機殼（通過軸承）之間也存在電容耦合。高頻共模電壓會通過這些耦合電容在電機軸承上建立電壓，當(dāng)該電壓超過潤滑油膜的擊穿電壓時，就會發(fā)生放電，形成軸承電流。

2.3 頻率提升的雙刃劍效應(yīng)

SiC器件允許系統(tǒng)在更高的開關(guān)頻率（fsw?）下運行，通常從Si IGBT時代的10 kHz提升至20 kHz、50 kHz甚至更高。雖然提高fsw?有利于減小差模濾波器的體積（因為所需的電感量和電容量與頻率成反比），但它對共模EMI的影響卻是負面的：

頻譜密度增加： 單位時間內(nèi)發(fā)生的開關(guān)動作次數(shù)增加，意味著注入系統(tǒng)的共模噪聲能量總量增加。

諧振激發(fā)： 更高的基頻及其諧波更容易落入系統(tǒng)寄生參數(shù)的諧振頻率范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致意外的噪聲放大。

熱應(yīng)力： 頻繁的充放電循環(huán)使得流過寄生電容的均方根（RMS）電流增大，可能導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的局部發(fā)熱和老化。

3. SiC功率模塊封裝對共模電流的影響

SiC功率模塊的封裝設(shè)計是影響共模電流生成的關(guān)鍵物理環(huán)節(jié)。隨著材料科學(xué)的進步，模塊封裝正經(jīng)歷從傳統(tǒng)硅基設(shè)計向適應(yīng)寬禁帶特性的設(shè)計轉(zhuǎn)變，這一過程中涉及的材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化對EMI特性產(chǎn)生了深遠影響。

3.1 絕緣基板材料的演進：Si3N4與AlN的博弈

在功率模塊中，絕緣基板（Substrate）承擔(dān)著電氣隔離和熱傳導(dǎo)的雙重功能。傳統(tǒng)的高功率模塊廣泛使用氧化鋁（Al2O3）或氮化鋁（AlN）作為絕緣材料。AlN因其極高的熱導(dǎo)率（約170-180 W/mK）和與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE）而備受青睞。

然而，SiC器件的高結(jié)溫運行能力（可達175°C甚至更高）和極高的功率密度對封裝材料的機械可靠性提出了更嚴苛的要求。傳統(tǒng)的AlN陶瓷雖然熱性能優(yōu)異，但其機械強度較低，脆性大，斷裂韌性（Fracture Toughness, K1C?）僅為3-3.4 MPa?m1/2。在極端的溫度循環(huán)沖擊下，AlN基板容易發(fā)生斷裂失效。

為了解決可靠性問題，氮化硅（Si3N4）活性金屬釬焊（AMB）基板逐漸成為SiC模塊的主流選擇。Si3N4雖然熱導(dǎo)率較低（約90 W/mK，僅為AlN的一半），但其機械性能極其優(yōu)越，彎曲強度可達700-800 MPa，斷裂韌性高達6.5-7 MPa?m1/223。這種卓越的機械強度允許制造商使用更薄的陶瓷層來實現(xiàn)同等的機械可靠性。例如，傳統(tǒng)的AlN基板厚度通常為0.635 mm，而Si3N4基板可以減薄至0.32 mm甚至0.25 mm。

對共模電容的深層影響：

基板厚度的減小雖然補償了Si3N4熱導(dǎo)率較低的缺點（熱阻 Rth?=d/λA），但對共模電流卻產(chǎn)生了負面影響。模塊對散熱器的寄生電容Cmh?可以近似看作平板電容：

Cmh?=d?0??r?A?

其中，d是陶瓷層厚度，?r?是相對介電常數(shù)。AlN的?r?約為8.6-9，而Si3N4的?r?約為7.5-9[24, 25]。在介電常數(shù)相近的情況下，將基板厚度d減半（從0.635 mm減至0.32 mm），會導(dǎo)致寄生電容Cmh?幾乎翻倍。

這意味著，采用先進Si3N4 AMB工藝的SiC模塊，雖然在熱循環(huán)壽命和機械可靠性上遠超傳統(tǒng)模塊，但其固有的共模耦合電容可能更大。在相同的dv/dt激勵下，這意味著更大的共模漏電流。這是SiC模塊設(shè)計中一個典型的“多物理場權(quán)衡”：為了機械可靠性而犧牲了部分的電磁隔離特性。因此，在使用SiC模塊時，系統(tǒng)層面的EMI抑制變得更加緊迫。

3.2 低雜散電感設(shè)計的雙重效應(yīng)

為了發(fā)揮SiC MOSFET的高速開關(guān)優(yōu)勢，現(xiàn)代功率模塊極其強調(diào)“低雜散電感設(shè)計”。例如，BASiC Semiconductor的Pcore?2系列模塊采用了優(yōu)化的疊層母排和引腳布局，將內(nèi)部雜散電感降低至30 nH甚至更低（某些先進封裝可達10 nH以下）。

正向效應(yīng)： 低雜散電感（Lσ?）對于抑制關(guān)斷過程中的電壓過沖（Vovershoot?=Lσ??di/dt）至關(guān)重要。過高的Lσ?會導(dǎo)致管壓降超過器件擊穿電壓，迫使設(shè)計者人為降低開關(guān)速度，從而抵消SiC的效率優(yōu)勢。

負向效應(yīng)與EMI： 然而，降低Lσ?也意味著允許更高的di/dt存在。極高的di/dt會在電路的寄生互感中感應(yīng)出噪聲電壓，耦合到門極驅(qū)動回路或傳感器回路中。此外，雖然低電感減小了振蕩的幅度，但如果阻尼不足，SiC器件極低的輸出電容（Coss?）與殘留的雜散電感形成的諧振頻率（fres?=1/2πLσ?Coss??）會變得非常高（通常在幾十MHz）。這種高頻振蕩是輻射EMI的主要來源。

3.3 內(nèi)部屏蔽與多層基板技術(shù)

針對上述寄生電容增加的問題，一種前沿的模塊級解決方案是在基板內(nèi)部集成屏蔽層（Screen Layer）。這種技術(shù)通常涉及多層陶瓷基板結(jié)構(gòu)或在DBC/AMB結(jié)構(gòu)中引入中間電位層。

工作原理： 通過在芯片所在的頂層銅箔和接地的底板之間插入一個中間導(dǎo)體層，并將該層連接到直流母線的靜電位點（如DC-或DC中點），可以截獲原本流向散熱器的位移電流。當(dāng)開關(guān)節(jié)點電壓跳變時，位移電流通過絕緣層流向屏蔽層，然后通過低阻抗路徑直接返回直流母線內(nèi)部循環(huán)，而不經(jīng)過外部的接地回路。

研究表明，這種集成屏蔽技術(shù)可以將流向底板的共模電流衰減高達26 dB。雖然這增加了模塊制造的復(fù)雜性和成本，但在對EMI要求極高且濾波器體積受限的航空航天或電動汽車應(yīng)用中，這是一種極具吸引力的源頭抑制方案。

4. 高頻共模電流引發(fā)的系統(tǒng)級故障機理

在SiC時代，共模電流不再僅僅是EMI合規(guī)性的問題，它已經(jīng)演變成威脅系統(tǒng)核心部件壽命的可靠性問題。

4.1 電機軸承的電腐蝕（EDM）機理

SiC逆變器驅(qū)動電機時，軸承電流導(dǎo)致的早期失效已成為行業(yè)關(guān)注的焦點。這主要是由共模電壓通過電機內(nèi)部的寄生電容耦合引起的。

電容分壓模型： 電機內(nèi)部存在復(fù)雜的電容網(wǎng)絡(luò)，主要包括定子繞組對轉(zhuǎn)子的電容（Cwr?）、轉(zhuǎn)子對機殼的電容（Crf?，主要由軸承油膜形成）以及定子對機殼的電容（Cwf?）。共模電壓（VCM?）作為激勵源，通過這些電容的分壓作用在電機軸上建立對地電壓（Vshaft?）。軸電壓大約為：

Vshaft?≈Cwr?+Crf?Cwr???VCM?

EDM電流的形成： 軸承中的潤滑油膜是一層絕緣介質(zhì)。當(dāng)軸電壓積累到超過油膜的擊穿閾值（通常為5-30V，取決于油膜厚度和溫度）時，油膜絕緣被擊穿，形成低阻抗導(dǎo)電通道。積聚在寄生電容上的電荷瞬間通過接觸點釋放，形成極高密度的放電電流（EDM電流）。

SiC的加劇效應(yīng)： 與IGBT相比，SiC系統(tǒng)的高dv/dt和高頻特性產(chǎn)生了雙重惡化效應(yīng)：

更高的耦合效率： 高dv/dt使得通過Cwr?耦合到轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)電流更大，軸電壓建立得更快。

更高的放電頻率： 高開關(guān)頻率意味著VCM?跳變的次數(shù)更多，導(dǎo)致軸電壓突破油膜閾值的頻率顯著增加。研究顯示，SiC驅(qū)動下的EDM放電次數(shù)可能比Si驅(qū)動高出數(shù)倍甚至一個數(shù)量級。這會導(dǎo)致軸承滾道出現(xiàn)凹坑（Pitting）和搓衣板狀紋路（Fluting），最終導(dǎo)致機械失效。

4.2 反射波現(xiàn)象與絕緣老化

在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，連接電纜表現(xiàn)出傳輸線特性。當(dāng)SiC器件的電壓上升時間（tr?）小于或接近電纜傳輸延遲的兩倍時，會在電機端子處發(fā)生電壓反射。SiC MOSFET的上升時間極短（<20 ns），這意味著即使是幾米長的短電纜也可能觸發(fā)全反射。

反射波會導(dǎo)致電機端子的電壓過沖達到直流母線電壓的2倍甚至更高（在特定諧振條件下）。這種高頻、高幅值的過電壓直接作用于電機的匝間絕緣。由于高頻下的集膚效應(yīng)和電感分布不均，電壓并非均勻分布在繞組上，而是主要集中在首匝線圈上。據(jù)統(tǒng)計，高達80%的電壓可能降落在第一匝線圈上。

長期的局部放電（Partial Discharge, PD）會侵蝕絕緣層。SiC的高頻特性加速了這一過程，因為絕緣材料在單位時間內(nèi)的電壓沖擊次數(shù)成倍增加，且高頻介質(zhì)損耗導(dǎo)致絕緣溫升更高，進一步加速熱老化。

5. 硬件層面的抑制與濾波技術(shù)

面對SiC帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，硬件層面的抑制技術(shù)必須從傳統(tǒng)的“堵”轉(zhuǎn)向更高效的“疏”和“消”。

5.1 無源濾波器的材料與拓撲革新

無源EMI濾波器仍然是抑制共模電流的主力，但在SiC應(yīng)用中，其設(shè)計面臨著體積與性能的矛盾。

磁芯材料的抉擇：納米晶 vs. 鐵氧體

共模電感（Common Mode Choke, CMC）的核心在于磁芯材料。

錳鋅鐵氧體（Mn-Zn Ferrite）： 這是傳統(tǒng)的低成本選擇。然而，鐵氧體的飽和磁通密度較低（Bsat?≈0.4T），且其磁導(dǎo)率隨頻率升高下降較快。在SiC的高頻、高溫環(huán)境下，鐵氧體的阻抗特性往往無法滿足寬頻帶抑制的需求37。

納米晶（Nanocrystalline）： 納米晶材料正成為SiC系統(tǒng)的首選。它具有極高的飽和磁通密度（Bsat?≈1.2T）和高磁導(dǎo)率。這意味著在相同的電感量下，納米晶磁芯可以做得更小，或者用更少的匝數(shù)實現(xiàn)，從而減小了線圈的寄生電容，提升了高頻阻抗特性。更重要的是，納米晶在高溫（可達130°C以上）下性能穩(wěn)定，非常適合SiC功率模塊的高溫工況。數(shù)據(jù)顯示，使用納米晶磁芯可以將共模電感的體積減小高達50%，同時提供更寬頻帶的噪聲衰減。

濾波器拓撲：

除了傳統(tǒng)的L-C型濾波器，針對SiC電機驅(qū)動的反射波問題，輸出端dv/dt濾波器（如RLC濾波器）被廣泛應(yīng)用。雖然L-C正弦波濾波器效果最好，但體積過大。相比之下，設(shè)計精良的dv/dt濾波器可以將電壓上升率限制在500-1000 V/μs以內(nèi)，有效保護電機絕緣，但代價是阻尼電阻上會有顯著的功率損耗。

5.2 有源EMI濾波器（AEF）的崛起

為了打破無源濾波器體積與衰減量的物理限制，有源EMI濾波器（Active EMI Filter, AEF）技術(shù)在SiC時代走向成熟。

工作原理： AEF通過檢測電路中的噪聲電壓或電流，并通過放大器注入一個反相的補償信號來抵消噪聲。這相當(dāng)于在電路中引入了一個虛擬的極低阻抗（旁路）或極高阻抗（串聯(lián)），從而阻斷噪聲傳播42。

無變壓器拓撲： 傳統(tǒng)的AEF依賴龐大的電流互感器。現(xiàn)代針對SiC驅(qū)動的AEF采用了無變壓器的電容耦合拓撲，利用高壓電容進行感應(yīng)和注入。這種設(shè)計可以集成到極小的PCB面積甚至芯片中。

優(yōu)勢： AEF在低頻段（150 kHz - 5 MHz）表現(xiàn)出色，這正是大電感無源濾波器體積最大的頻段。通過使用AEF處理低頻噪聲，可以將無源濾波器的轉(zhuǎn)折頻率推高，從而大幅減小無源扼流圈的體積。混合式（Hybrid）濾波器方案——結(jié)合小型無源級和AEF級——已被證明可以實現(xiàn)高達40-50%的體積縮減，這對追求高功率密度的電動汽車應(yīng)用至關(guān)重要。

5.3 接地阻抗的優(yōu)化

系統(tǒng)接地的處理對共模電流的路徑有決定性影響。直接將散熱器硬接地（Hard Grounding）雖然簡單，但構(gòu)成了一個低阻抗的共模回路，可能導(dǎo)致極大的共模電流峰值。

研究表明，在散熱器接地路徑中串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)淖枘犭娮瑁ɡ鐜装贇W姆）或阻抗網(wǎng)絡(luò)，可以有效破壞寄生電容與地線電感構(gòu)成的諧振回路（High Frequency Resonance）。這不僅能限制共模電流的幅值，還能抑制輻射EMI，同時不影響安規(guī)要求的低頻接地保護功能。

6. 軟件層面的抑制：先進調(diào)制策略

除了硬件手段，通過優(yōu)化控制算法從源頭減少共模電壓的產(chǎn)生，是一種“零成本”的高效策略。SiC器件的高開關(guān)頻率為實施復(fù)雜的調(diào)制策略提供了足夠的帶寬余量。

6.1 降共模電壓脈寬調(diào)制（RCMV-PWM）

傳統(tǒng)的SVPWM策略中，零矢量（000和111）產(chǎn)生了幅值最大的共模電壓（±Vdc?/2）。RCMV-PWM的核心思想就是避免或減少使用零矢量。

主動零狀態(tài)PWM（AZSPWM）： 該策略不使用傳統(tǒng)的零矢量，而是利用兩個相反的有效矢量（例如矢量V1和V4）輪流作用相同的時間來合成等效的“零電壓”。這種方法將共模電壓的峰值從Vdc?/2降低到了Vdc?/6，降幅達66%。

權(quán)衡： AZSPWM的主要缺點是增加了開關(guān)次數(shù)（在一個載波周期內(nèi)），這在Si IGBT時代會導(dǎo)致不可接受的開關(guān)損耗增加。然而，SiC MOSFET極低的開關(guān)損耗使得這一策略變得可行。此外，它會增加輸出電流的紋波（Ripple）和總諧波失真（THD）。

近狀態(tài)PWM（NSPWM）： NSPWM只利用三個相鄰的有效矢量來合成參考電壓，完全避開零矢量。它不僅降低了共模電壓，還具有鉗位效應(yīng)（即在某些區(qū)間內(nèi)有一相開關(guān)保持不動作），這有助于降低開關(guān)損耗。

權(quán)衡： NSPWM在低調(diào)制深度下線性度較差，且電流THD通常高于SVPWM。

死區(qū)效應(yīng)與尖峰抑制： 在實施AZSPWM時，由于死區(qū)時間（Dead Time）的存在，兩個相反矢量切換的瞬間可能會出現(xiàn)非預(yù)期的共模電壓尖峰。針對SiC的高速特性，需要采用精確的死區(qū)補償算法或改進的脈沖序列邏輯來消除這些尖峰，確保軟硬件協(xié)同抑制的效果。

6.2 調(diào)制策略與SiC特性的協(xié)同

SiC的高開關(guān)頻率特性可以補償RCMV-PWM帶來的電流紋波劣勢。例如，一個在50 kHz下運行AZSPWM的SiC逆變器，其輸出電流質(zhì)量可能優(yōu)于在10 kHz下運行標準SVPWM的IGBT逆變器，同時其共模噪聲水平顯著降低。這種以“頻率換質(zhì)量，以算法換濾波”的設(shè)計思路，是SiC時代系統(tǒng)優(yōu)化的核心邏輯。

7. 驅(qū)動電路的抗擾設(shè)計

共模電流不僅對外造成干擾，也會反噬自身的驅(qū)動電路。高dv/dt產(chǎn)生的共模電流會通過驅(qū)動電源的隔離電容耦合到低壓側(cè)，造成邏輯混亂。

7.1 共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）

對于SiC驅(qū)動器，CMTI（Common Mode Transient Immunity）已成為最重要的選型指標之一。它衡量了隔離柵在承受高dv/dt沖擊時保持信號完整性的能力。傳統(tǒng)的驅(qū)動光耦通常只有30-50 kV/μs的CMTI，這在SiC應(yīng)用中是完全不夠的?，F(xiàn)代SiC專用驅(qū)動器（如基于電容隔離或磁隔離技術(shù)）通常要求CMTI大于100 kV/μs甚至200 kV/μs，以防止在高速開關(guān)過程中發(fā)生誤觸發(fā)或信號丟失。

7.2 有源柵極驅(qū)動（AGD）技術(shù)

除了被動防御，驅(qū)動器還可以主動控制開關(guān)軌跡。有源柵極驅(qū)動技術(shù)（AGD）通過動態(tài)調(diào)整柵極電阻（Rg?）或驅(qū)動電流，在開關(guān)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時刻（如電流/電壓交疊區(qū)）精細調(diào)節(jié)dv/dt和di/dt。

分段驅(qū)動： 在延遲階段使用小電阻以減少死區(qū)時間，在電壓變化階段切換到大電阻以限制dv/dt和振蕩，最后再切換回小電阻以確保穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通。這種方法可以在不顯著增加開關(guān)損耗的前提下，有效抑制EMI和共模電流的產(chǎn)生源頭。

8. 結(jié)論與展望

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲能、充電基礎(chǔ)設(shè)施；
交通電動化：服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機）及高壓平臺升級；
數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動國產(chǎn)SiC替代進口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國家“雙碳”政策（碳達峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。

SiC功率模塊的應(yīng)用是一場涉及材料、器件、封裝、電路與控制的系統(tǒng)工程革命。共模電流問題的加劇是高性能換能過程中的必然副產(chǎn)物。

核心結(jié)論：

封裝是瓶頸也是突破口： 氮化硅（Si3N4）基板的應(yīng)用雖然提升了機械可靠性但增加了寄生電容，這要求在模塊內(nèi)部集成屏蔽層或在系統(tǒng)級采用更高效的濾波方案。

新材料解決新問題： 納米晶磁芯和有源EMI濾波器（AEF）是解決SiC高頻共模噪聲的關(guān)鍵硬件技術(shù)，它們克服了傳統(tǒng)無源元件的體積和高頻性能瓶頸。

軟硬協(xié)同是未來： 單純依賴硬件濾波已顯笨重。利用SiC的高頻余量，采用AZSPWM等先進調(diào)制策略從源頭削減共模電壓，再配合小型化的納米晶濾波器，是實現(xiàn)高功率密度與EMC合規(guī)的最佳路徑。

展望未來，隨著“智能功率模塊”（Intelligent Power Module, IPM）的發(fā)展，我們有望看到集成了共模屏蔽層、高CMTI驅(qū)動器甚至是有源EMI濾波單元的SiC模塊，從而在器件層面封閉共模噪聲，釋放寬禁帶半導(dǎo)體的全部潛能。

數(shù)據(jù)表格索引：

審核編輯 黃宇