基于碳化硅MOSFET功率模块的牵引变流器电磁兼容应用研究

张晓君，罗忠鹏

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031；2.中国铁路北京局集团有限公司 北京动车段，北京 100010)

牵引变流器作为牵引系统的核心设备，也是车辆运行过程中用电量最大的设备，牵引变流器的运行效率直接决定了列车运营的能耗指标，因此提高牵引变流器运行效率对于降低车辆运营成本具有重要意义。目前，牵引系统中的牵引变流器多采用基于硅材料的IGBT作为功率器件，其开关速度慢、频率低，且在开通、关断时刻及持续导通过程中易产生较大的损耗[1-2]。

随着碳化硅材料技术的进步，高压碳化硅器件已经被研发出来，相比传统的硅功率器件，碳化硅MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)功率模块具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性[1]，而且碳化硅MOSFET功率模块击穿电场强度高，热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可用来制造各种耐高温的高频、高效的大功率器件。

碳化硅MOSFET功率模块相比于IGBT功率模块开关损耗大幅降低，功率模块发热量减少，这将降低对功率模块散热器的要求以及对整个牵引变流器冷却系统的要求；碳化硅MOSFET功率模块可以在更高频率下切换，将降低电路中变压器、电容、电抗器等无源元件的体积和质量，而变流器总体体积和质量的改善，将有利于车辆的质量管理及设备布置，提高车辆的整体性能。

然而，由于碳化硅MOSFET功率模块的快速开关特性易受回路杂散参数的影响，牵引变流器的输出波形具有很大的dv/dt(电压变化率)，会产生很强烈的电磁干扰，并通过传导与辐射的方式影响自身以及其他设备，严重时影响车辆的正常运行。

因此，本文通过对碳化硅MOSFET功率模块进行建模分析，分析其产生电磁干扰的原因，并结合牵引系统主电路进行电磁干扰抑制方法研究，设计电磁干扰抑制电路，降低碳化硅MOSFET功率模块在开关过程的电磁干扰，并通过试验验证该方法的有效性。

1 碳化硅MOSFET功率模块的开通与关断过程分析

牵引变流器箱(VVVF)中碳化硅MOSFET功率模块与滤波电容通过叠层母排连接的等效使用电路如图1所示[2]。以图1中P1的开通-关断过程作为分析对象，其开关波形见图2。

C.逆变器滤波电容；P1.碳化硅MOSFET功率模块(包含二极管模块SBD以及MOSFET模块)；G.栅级；D.集电极；S.发射级；Lout.低感母排杂散电感;Lload.牵引电机等效电感[3]；Cds.DS间等效电容；CSBD.二极管电容。

图2(a)中T1时刻P1的驱动电压Ugs抬升，碳化硅MOSFET功率模块两端电压Uds下降，流过碳化硅MOSFET功率模块的电流Ic逐步增大，同时P1的二极管模块SBD处于反向恢复状态。

当驱动电压Ugs快速增大，超过碳化硅MOSFET功率模块的门槛电压Uth时，模块电流Ic快速上升，模块两端电压Uds减小至0 V，电流变化率为：

(1)

图2 碳化硅MOSFET功率模块的开关波形

式中：gm——碳化硅MOSFET功率模块跨导(输出端电流的变化值与输入端电压的变化值之间的比值)；

Rg——开关驱动电阻；

Cgs——GS间等效电容。

碳化硅MOSFET功率模块使用碳化硅作为衬底不存在PN结，因此二极管在反向恢复过程中电流冲击较小。如图2(a)所示，采用碳化硅MOSFET功率模块，由于T2时刻电流尖峰减小，作用在碳化硅二极管上的损耗很低，可减少70%。

在T1～T2时刻，由于电流快速变化，作用在杂散电感上产生电压尖峰Uce：

(2)

根据公式(1)和公式 (2)可知，牵引变流器箱中碳化硅MOSFET功率模块开通过程中，其电流变化率的快慢主要取决于杂散电感及导通电阻。减小导通电阻[4]，可以增加电流的变化率，但是会造成电压尖峰变大，严重时会产生串扰效应使碳化硅MOSFET功率模块形成直通，导致短路出现；增加导通电阻，可以减小电流的变化率，减少电压尖峰，但是会造成开通时间增大，增加系统损耗。因此，系统杂散电感及导通电阻决定了碳化硅MOSFET功率模块开通过程中电流变化率的大小。

如图2(b)所示，在T2时刻，P1的驱动电压Ugs达到关断门槛电压Uth，模块两端电压Uds迅速抬升至C的电压阈值, 模块电流Ic减小，在此过程中，电压变化率为:

(3)

根据公式(3)可知，牵引变流器箱中碳化硅MOSFET功率模块关断过程中，其电压变化率的快慢主要取决于分断电阻。减小分断电阻，可以减小电压的变化率，但会增加损耗；增大分断电阻，可以增大电压的变化率，就会产生电压尖峰，这样就会产生干扰源，对牵引变流器箱甚至车辆其他设备产生电磁干扰。因此，系统分断电阻决定了碳化硅MOSFET功率模块关断过程中电压变化率的大小[5]。

2 电磁干扰分析及抑制措施

在碳化硅MOSFET功率模块开通与关断过程中，由于杂散电感的原因，会在主电路中产生较大干扰，特别是在关断过程中，产生较大的电压尖峰，对牵引变流器和牵引电机均会产生较大危害。与此同时，由于寄生电容的存在，电压尖峰会通过其形成干扰回路，产生干扰电流[6]。干扰电流大时，会对车辆其他设备产生影响，严重时，影响车辆正常行车，对整车电气设备产生不良影响。

因此，在设计牵引变流器过程中，如果有效地减少系统杂散电感，可以在保证电压变化率不变的情况下，减少电压尖峰。

为了减少滤波电容的杂散电感，采用具有高耐压、低阻抗、低感抗特点的薄膜无感电容，同时通过优化低感复合母排的方式进行连接，可有效地降低系统杂散电感，目前部分系统可降低至25 nH左右。

2.1 共模干扰回路分析

牵引变流器一般通过PWM脉冲调制方式控制碳化硅MOSFET功率模块，从而输出脉冲电压给牵引电机供电[7]。

为了满足碳化硅MOSFET功率模块的散热需求，需要将碳化硅MOSFET功率模块布置在散热片上。同时，为了散热效果更好和降低散热片不平整度，提高散热接触面积，会在散热片与碳化硅MOSFET功率模块之间涂抹导热介质。由于存在导热介质的原因，在碳化硅MOSFET功率模块和散热片之间会形成寄生电容CP，这样牵引变流器中的碳化硅MOSFET功率模块每次关断，均会对地产生电阶跃，这样三相逆变器相当于3个电磁干扰源，在碳化硅MOSFET功率模块与散热器之间形成的杂散寄生电容上释放共模干扰电流ICM1，图3为共模干扰电流的流通路径。

FC.支撑电容；Lb1、Lb2.等效杂散电感；P1～P6.MOSFET功率模块;Lcm .滤波电抗器;CP1～CP6.对地等效电容；Lm.电机等效电感;Rm.电机等效电阻。

由于牵引电机与牵引变流器在车辆上的安装位置不一致，二者之间需通过较长的连接电缆相连，因此连接回路中存在寄生电感L。出于安全考虑，电机端部需要接地处理，因此在电机绕组与外壳间存在较大的寄生电容CM。这样牵引变流器中的碳化硅MOSFET功率模块每次关断产生的高频共模干扰电压将通过连接电缆的寄生参数L进行放大并最终施加在电机端部，通过CM形成流经电机本体的共模干扰电流ICM2。ICM2流经电机轴承，而长时间的漏电流会造成轴承的电腐蚀，轴承的损坏会造成电机振动加速度过大，严重时会损坏电机，影响行车安全。

同时，由于上述回路的产生，碳化硅MOSFET功率模块开关过程的共模电流会流入供电网侧，对整个共模回路中的设备均会产生电磁干扰，特别是电磁敏感设备，如计轴器等。

2.2 共模干扰抑制策略研究

在碳化硅MOSFET功率模块和散热片之间存在寄生电容CP，依据电容原理[8]，可得CP容值为：

(4)

式中：εr——导热介质的介电常数；

d——导热介质；

M——碳化硅MOSFET功率模块散热面积。

在碳化硅MOSFET功率模块关断过程中，通过散热片产生的共模干扰电流ICM1为：

(5)

由于CP的大小取决于导热介质以及逆变器结构而很难改变，为了抑制共模电流ICM1，只能更改共模电流流通路径。因此，在牵引变流器箱体内部直流侧输入正负端增加对地电阻R1、R2和接地电容C1、C2，从而改变回流回路，将共模干扰电流的回路仅作用在箱体内部，减少干扰其他设备的可能性。图4为共模干扰抑制电流流通路径原理图。

CCM.滤波电容。图4 共模干扰抑制电流流通路径原理图

同时，降低碳化硅MOSFET功率模块开关速率可减少电压变化率，这样可以减少电磁干扰造成的电机端过电压，但这样会增加系统损耗。因此，本文使用共模抑制电路Lcm-Ccm设计滤波器，确保滤波器工作在过阻尼状态，从而实现对流入电机共模电流的抑制。在满足系统空间限制的要求下，增加滤波器可以大幅度降低电磁干扰，提高连接电缆使用寿命，降低牵引电机的工作温度及运行噪声。图5为共模干扰等效回路。

图5 共模干扰等效回路

如图5所示，在牵引变流器和电机间增加滤波电路，通过R、C阻抗网络，改变共模电流流经路径。滤波器核心参数包括RC滤波截止频率及EMI滤波器中LC截止频率。

根据IEC 61287：2005《车载电源变换器——特性和试验方法》要求，牵引变流器需满足介电强度要求，按照既往设计经验，接地电容C1需小于0.7 μF，否则会因漏电流太大导致该试验项点不通过。同时，为减小流经散热片寄生电容共模干扰电流，使其小于0.5 A，经计算R≥8 Ω。

同时对输出滤波器参数进行设计，根据计算，当不考虑电感气隙影响，共模抑制电路EMI-LC参数计算表达式为[4]：

(6)

(7)

(8)

式中：LEMI——EMI滤波器内部电抗；

μ——电抗器磁导率；

N——共模电抗器线缆匝数；

Sc——共模电抗器截面积；

lc——共模电抗器磁路；

Ucm——干扰电压源；

f——EMI截止频率；

CEMI——EMI滤波器内部电容。

流过共模回路的电流与滤波器电抗大小成反比。因此，根据上述公式[9]，在设计限制共模电流滤波器时，增大绕组匝数，减小磁路路径，可以增强共模电流抑制效果，但增加匝数会增大滤波器体积和质量，因此需要根据实际接口限制最终确定匝数。

综上，本文设计的滤波器参数为：系统开关频率为5 kHz，滤波器的谐振频率为碳化硅MOSFET功率模块的开关频率的倍频次，滤波器最大磁通密度为0.9 T，饱和磁密度为66%。同时，根据牵引变流器的箱体空间结构以及质量要求，设计滤波电抗器Lcm的参数为0.1 mH@5 kHz(在典型频率5 kHz时表现为0.1 mH)。

3 试验验证

为了验证共模干扰抑制方案的有效性，采用了对比试验进行验证[10]。

根据EN 50121-3-2：2016《铁路设施 电磁兼容性》相关要求，按照IEC 61000：2008《电磁兼容》的相关试验方法，采用碳化硅MOSFET功率模块的牵引变流器来开展试验，对传导辐射进行测试，测量频段包括9～150 kHz、150～30 000 kHz。

电磁兼容测试原理图如图6所示，在牵引逆变电路的输出接口(Uout)和输入接口(FC)分别用电压探头进行测量，通过EMI接收机将电压探头测试的干扰电压Uged和Uout进行记录上传，并进行频谱分析，记录峰值点。通过对比试验，测量获得增加接地回路和共模抑制滤波器前后的干扰电压峰值大小。

图6 电磁兼容测试原理图

当输入为DC 1 500 V电压时，负线对地干扰电压试验结果如图7所示，具体试验数据如表1所示。

图7 负线对地干扰电压试验结果

其中，图7和表1中A为未增加接地回路和共模抑制滤波器的干扰电压试验结果，B为增加接地回路和共模抑制滤波器的干扰电压的试验结果。从图7可以看出，增加接地回路和共模抑制滤波器后，在低频段和高频段，均具有较好的抑制效果，同时，系统高频段共模噪声振荡趋势也得到改变。由表1可以看出，增加接地回路和共模抑制滤波器后，在高频段均有较好的效果，干扰电压整体降低10 dBμV。

表1 负线对地干扰电压试验数据

输出对地干扰电压试验结果如图8所示，具体试验数据见表2。其中，图8和表2中A为未增加接地回路和共模抑制滤波器的干扰电压试验结果，B为增加接地回路和共模抑制滤波器的干扰电压的试验结果。由图8和表2可知，增加接地回路和共模抑制滤波器后，整个测量频段内共模干扰均得到有效的抑制，干扰增益随频率提高而逐步增大的趋势也得到改善。

图8 输出对地干扰电压试验结果

表2 输出对地干扰电压试验数据

综合上述测试结果可知，本文针对碳化硅MOSFET功率模块提出的共模干扰抑制策略，无论在输入端还是输出端共模干扰均得到了有效的抑制，验证了其有效性。

4 结论

本文对碳化硅MOSFET功率模块的开通与关断过程进行了详细分析，总结了影响其电压变化率和电流变化率的主要因素，分析了碳化硅MOSFET功率模块应用在牵引变流器中的共模电流干扰路径，在此基础上，结合实际牵引变流器设计参数，提出抑制共模干扰的策略，并设计了接地回路和共模抑制滤波器。通过对采用基于碳化硅MOSFET功率模块的牵引变流器开展试验，验证了所提策略的有效性，为进一步推进碳化硅MOSFET功率模块在轨道车辆的推广应用提供了技术支撑。