倾佳电力电子系统中共模电压和共模电流的深度研究及SiC功率器件的抑制贡献
倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率『半导体』和『新能源』汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和『新能源』汽车产业链。倾佳电子聚焦于『新能源』、交通电动化和『数字化』转型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率『半导体』器件以及『新能源』汽车连接器。
倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率『半导体』器件变革潮头：
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET模块全面取代IGBT模块和IPM模块的必然趋势！
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET单管全面取代IGBT单管和大于650V的高压硅MOSFET的必然趋势！
倾佳电子杨茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET单管全面取代SJ超结MOSFET和高压GaN 器件的必然趋势！
I. 引言：电力电子系统共模干扰问题的挑战与SiC技术定位
A. 电力电子系统中共模电压和共模电流的定义与重要性
在现代电力电子系统中，共模电压（CMV）和共模电流（CMC）是脉冲宽度调制（PWM）变流器固有的高频电磁干扰（EMI）形式。CMV通常定义为三相输出端电压相对于直流母线中点或系统地电位的平均值 VCM=(VA0+VB0+VC0)/3 。当开关器件快速切换时，CMV会产生快速的电压阶跃（高 dv/dt），并通过电路中的寄生电容耦合到系统地或电机外壳，形成CMC回路 。
CMC的危害是多方面的，它不仅会干扰敏感的控制和通信设备（例如车载CAN网络和FlexRay），导致系统可靠性下降，还是引发电机轴承电流腐蚀、加速电机绕组绝缘老化、并最终限制系统开关频率和功率密度的核心因素。特别是在电动汽车（EVs）等高功率、高密度应用中，研究表明电机驱动系统产生的电磁干扰强度已远远超过传统车载网络所需的电磁兼容（EMC）能力，迫切需要采取有效的抑制措施 。
B. SiC功率器件的变革性优势：高频、高效率、高密度
碳化硅（SiC）作为第三代『半导体』材料，因其卓越的物理特性，正在引发电力电子系统的深刻变革。SiC MOSFET具有比传统硅（Si）器件高约十倍的介电击穿强度和更高的热导率 。这些特性使得SiC器件能够支持更高的工作电压、实现更低的导通损耗，并允许在更高的结温（高达 175∘C）下稳定运行，远超硅基晶体管通常 150∘C 的最大额定值 。
SiC器件的核心优势在于其极高的开关速度和低开关损耗。SiC MOSFET集成了传统MOSFET的栅极控制优势和Si IGBT的高功率处理能力，使得系统开关频率能够提升到数百kHz甚至MHz级别，从而显著提高功率密度，减小无源元件（如电容和电感）的体积和重量，并提供优于Si基解决方案的效率和成本潜力 。
C. SiC在共模干扰抑制中扮演的关键角色
尽管SiC技术通过提升效率和功率密度带来了巨大的系统效益，但其极快的开关速度（即高 dv/dt）本身也是CMV和CMC的强大激励源。系统设计面临的挑战是如何在利用SiC高效率特性的同时，有效抑制其产生的高频噪声。
SiC器件对共模干扰的真正贡献在于提供了一套可控的参数，允许设计者在效率和EMC性能之间进行精细的权衡。通过优化SiC器件的核心参数（如寄生电容、反向恢复电荷）和先进的系统级封装（如降低杂散电感），『工程师』可以精确调控开关瞬态波形，从而从源头上削弱共模干扰的激励，实现系统EMC和性能的整体优化。
II. 共模电压与共模电流的理论基础及生成机制
A. 共模电压的拓扑学起源：PWM调制下的中点电压漂移
共模电压主要源于三相逆变器拓扑结构以及PWM调制策略的固有特性。在标准的二电平电压源逆变器（VSI）中，当采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）等策略时，逆变器的输出端电压 VA0,VB0,VC0 会在直流母线正极 VDC 和负极 0 之间切换。当开关器件处于非零矢量状态时，会产生不同的共模电压电平。例如，在 VDC 为直流母线电压时，CMV可以阶跃变化到 VDC/3, 2VDC/3, 0 甚至 VDC 。这些快速的阶跃变化是共模噪声的主要激励源。
针对复杂的拓扑，例如应用于储能变流器PCS等高功率场合的T型逆变器，其共模电压的生成和傅里叶表达式更为复杂 。然而，无论拓扑如何变化，CMV产生的根本原因都归结于PWM控制下开关器件的快速切换导致的电压节点相对于系统地的快速电位变化 ( dv/dt)。
B. 传导共模电流的寄生网络模型
共模电流 ICM 是由CMV通过寄生耦合路径驱动形成的。主要耦合路径包括功率器件的散热器/基板到系统地之间的寄生电容 Cpg,HS、电缆屏蔽层到地之间的电容，以及电机绕组到机壳之间的电容 Cw−g 。CMV激励源产生的 dv/dt 速率越高，通过这些电容耦合路径产生的位移电流 ICM≈Cpg⋅dv/dt 幅值就越大。
随着电力电子系统开关频率的提高，CM回路的阻抗 ZC=1/(jωCpg) 显著降低。由于CM电流的频谱主要由PWM基频及其高次谐波决定，提高开关频率直接意味着CMV激励源的频率成分向更高频延伸，容性耦合路径的低阻抗特性导致CMC的幅值急剧增加。在『新能源』汽车应用中，这种高频CMC脉冲在长电缆中传播时，还会转换为辐射☢️干扰，严重影响电磁兼容性 。
C. 高频开关瞬态行为与共模激励源的耦合
开关瞬态是共模干扰产生的关键时刻。除了由电压快速变化（dv/dt）驱动的CMV耦合外，换流回路中电流的快速变化（di/dt）也会产生CMC。
换流回路中不可避免的杂散电感 Lσ（例如功率模块引脚和DC母线电容之间的连接）与器件的输出电容 Coss 会形成寄生谐振回路。在器件开通和关断期间，高 di/dt 会在 Lσ 上产生电压尖峰 Vspike=Lσ⋅di/dt。这些尖峰电压具有超高频振荡成分，通过寄生电容耦合，形成脉冲式的共模电流。
此外，尽管先进的PWM算法（例如调制波移相PWM）在理论上可以实现零CMV输出 ，但在实际工程中，为防止桥臂短路而引入的死区时间（Dead Time）是必不可少的 。死区时间会导致桥臂中点电压暂时处于浮动状态，这种不确定性会重新引入尖锐的共模电压瞬态尖峰，可能使原本设计用于抑制CMV的调制算法失效 。因此，系统必须具备对这些瞬态过程进行精确和快速控制的能力。
III. SiC MOSFET高频特性对共模生成源的解耦分析
A. 器件寄生电容对共模耦合的决定性影响
SiC MOSFET的设计从根本上改善了器件的寄生电容特性，从而有效减弱了共模电压的耦合。在开关过程中，反向传输电容 Crss（栅极-漏极电容）是最关键的参数，它决定了器件的开关速度和米勒平台效应。在CMV产生的物理模型中， Crss 是高 dv/dt 激励耦合回栅极驱动回路的主要通路。
由于SiC材料的高电场强度特性，同等耐压等级下SiC MOSFET的漂移层厚度更薄，使得其寄生电容远低于传统的Si IGBT 。例如，针对750 V/240 A等级的BASiC B3M010C075Z SiC MOSFET，其典型 Crss 仅为 19 pF 。即使是更大功率的1200 V/240 A模块BMF240R12E2G3，其 Crss 典型值也仅为 0.03 nF (30 pF) 。
极低的 Crss 意味着在器件承受高 dv/dt 作用时，耦合回栅极的位移电流 IG=Crss⋅dv/dt 非常小。这种特性显著抑制了米勒平台效应，使得栅极电压能够更快地上升和下降，从而实现更快的开关速度，同时也增强了器件对高 dv/dt 瞬态误触发的抗干扰能力。对于 1200 V/180 A 的分立器件 B3M013C120Z，其 Crss 典型值甚至低至 14.0 pF ，这使其在需要极致高频开关的应用中具有卓越的共模噪声抑制能力。
值得注意的是，在追求超低导通电阻 RDS(on) 的大电流模块设计中，需要更大的『芯片』面积，这可能导致寄生电容略有增加。例如，BMF240R12E2G3模块的 RDS(on) 降至 5.5 mΩ，但其 Crss 增至 30.0 pF 。这种权衡关系突出表明，在高功率SiC设计中，降低传导损耗是以牺牲部分CMV抑制能力（因 Crss 增大）为代价的，因此更依赖于系统级寄生电感优化。
B. 开关速度(dv/dt)的内在矛盾与优化控制
SiC MOSFET的固有开关时间极短，例如BMF240R12E2G3模块在 150∘C 下的上升时间 tr 仅为 17.5 ns（RG(on)=2.2Ω）。这种速度会产生极高的 dv/dt，虽然有利于提高效率，但同时也使得CMV频谱向更高的频率（数MHz到数十MHz）延伸。这种高频噪声会增加EMI滤波器的设计难度。
SiC技术的优势在于它提供了对开关速度的精确调控机制。设计者可以通过调节外部串联门极电阻 RG(ext) 来控制 dv/dt 和 di/dt，从而在开关损耗和共模噪声频谱之间找到最优平衡点 。数据表明，随着外部栅极电阻 RG(ext) 的增加，分立器件（如B3M010C075Z）的开关时间（tr,tf）和开关能量 (Eon/off) 均会增加 。这种直接的调控手段允许设计人员在保证系统效率远高于Si IGBT的同时，“柔化”开关波形，有效抑制高 dv/dt 瞬态产生的CMV尖峰。
C. SiC体二极管与SBD的零反向恢复特性对CMC的抑制
在桥式逆变器拓扑中，换流回路中续流二极管的反向恢复过程是产生高频 di/dt 尖峰和后续振荡的主要来源。传统Si IGBT模块通常需要使用快速恢复二极管（FRD），但仍然存在较大的反向恢复电荷 Qrr 和反向恢复电流 Irm。
相比之下，SiC MOSFET的体二极管或内置/外置的SiC肖特基势垒二极管（SBD）具有近乎零的反向恢复特性 。零 Qrr 意味着在换流时几乎没有“拖尾电流” 来激励功率回路中的 Lσ−Coss 谐振回路。
量化数据清晰地显示了SiC的优势：B3M010C075Z分立器件在 25∘C 下的 Qrr 典型值仅为 460 nC，反向恢复时间 trr 仅为 20 ns 。即使是高功率的BMF240R12E2G3模块，在 150∘C 下 Qrr 典型值也仅为 1.9 μC (1900 nC)，且 trr 极短，为 16.5 ns 。
消除或大幅减少 Qrr 直接抑制了由换流引起的 di/dt 尖峰幅度和高频振铃，从而从物理根源上削弱了共模电流的超高频频谱成分。然而，即使SiC器件的 Qrr 极低，其数值在高结温下仍会显著增加。例如，BMF80R12RA3模块的 Qrr 从 25∘C 时的 0.3 μC 增加到 175∘C 时的 1.6 μC 。这表明热管理性能（如 Rth(j−c)）与EMC性能的稳定性直接相关，需要通过优秀的热设计来维持低结温，以确保 Qrr 在整个工作范围内保持最低水平。
IV. 基于SiC器件的系统级共模抑制技术与工程实践
A. 功率器件封装技术对寄生参数的最小化
为了最大限度地利用SiC器件的开关速度优势并同时控制CMV/CMC，先进的封装技术至关重要。
Kelvin源连接的应用 SiC MOSFET通常采用四引脚（4-pin）封装，例如TO-247-4封装 。增加的Kelvin源引脚将功率源回路和栅极驱动回路有效地解耦。这消除了功率回路杂散电感 LS,Power 对栅极驱动信号的负反馈效应。通过提供一个干净的栅极参考电位，驱动器可以更精确地控制器件的 dv/dt 和 di/dt，从而稳定地抑制由开关瞬态引起的共模峰值。
模块化封装中的超低杂散电感设计 杂散电感 Lσ 是高频CMC抑制中最关键的瓶颈。先进的SiC功率模块采用低电感设计，例如通过优化直接覆铜（DBC）基板和母线布局来最小化换流回路面积。 量化分析显示，大电流SiC模块的杂散电感已达极低水平。例如，BMF240R12E2G3 Pcore模块在测试条件下的杂散电感 Lσ 仅为 20 nH 。更大的62 mm封装模块（如BMF360R12KA3和BMF540R12KA3）也实现了 Lσ 约为 30 nH 的低电感 。 这种低 Lσ 的设计贡献显著。相比于传统IGBT模块中可能高达 50-100 nH的 Lσ，SiC模块将杂散电感降低了至少一半。在SiC器件极高的 di/dt 瞬态下，低 Lσ 极大地限制了产生的电压尖峰幅值 (V=Lσ⋅di/dt)，直接削弱了CMV/CMC的高频激励强度。例如，对于 240 A 的电流在 20 ns 内切换，即使是 20 nH 的 Lσ 仍会产生高达 240 V 的尖峰电压，因此低电感封装对于管理 SiC 的超快瞬态是至关重要的物理基础。
B. 先进的零共模电压PWM调制策略
SiC MOSFET的快速响应能力是实现先进CMV抑制算法的基础。
零向量选择与CMV控制 传统的PWM调制中，使用零电压矢量（如SVPWM中的 V0,V7）通常会导致最大的共模电压阶跃。零共模电压调制算法通过选择特定的有效矢量组合或避免使用产生最大CMV的零矢量，可以在理论上消除或大幅减小CMV的阶跃变化 。
SiC对调制算法精度和速度的赋能 移相PWM等算法在理论上可以实现零共模电压输出，但其在实际系统中的有效性高度依赖于开关器件精确的动作时刻和对死区时间的补偿 。SiC MOSFET极短的开关延迟时间（ td(on/off)）使得它能够更精确、更快速地执行高频调制指令。例如，BMF240R12E2G3模块在 150∘C 下的开通延迟时间 td(on) 典型值仅为 40.5 ns 。这种高精度时间控制能力减少了PWM算法执行中的时间误差，使得基于零共模电压思想的调制策略能够更有效地抑制CMV。
C. 共模滤波器设计与SiC工作频率的匹配考量
由于SiC系统的工作频率更高（通常在100 kHz到500 kHz），且产生的CMV/CMC频谱延伸到更高的频率范围（数十MHz），传统的EMI滤波器设计必须进行重大调整。滤波器的截止频率必须向上移动，并且必须针对这些超高频成分进行优化。
这意味着共模扼流圈的设计需要采用低寄生电容和低杂散电感的结构，而共模旁路电容必须采用低等效串联电感（ESL）的元件。SiC技术的应用要求设计者必须采用系统级的协同优化方法，确保器件、封装、调制策略和滤波器设计在宽频谱范围内保持一致的EMC性能。
V. SiC器件参数的量化分析及工程应用建议
A. 关键SiC MOSFET/模块参数对共模抑制的敏感性分析
SiC器件对共模干扰的抑制能力是其电气特性、封装技术和热性能的综合体现。以下表格总结了典型SiC器件和模块的关键参数，并分析了其对共模性能的关联性。
表 1: 关键 SiC MOSFET/模块器件参数对比与共模性能相关性分析
器件型号额定 VDS (V) / ID (A)典型 RDS(on) (mΩ)典型 Crss (pF)典型 Qrr (nC)典型 tr (ns) (低 RG)Lσ (nH)封装形式CMV/CMC 抑制潜力B3M010C075Z
750 / 24010.019.0460 (@25°C)45.0 (@10$\Omega$)50 (测试条件)TO-247-4极低 Crss，适合更高频开关B3M013C120Z
1200 / 18013.514.0390 (@25°C)37.0 (@8.2$\Omega$)50 (测试条件)TO-247-4最低 Crss，优越的抗米勒效应BMF60R12RB3
1200 / 6021.210.0200 (@25°C)35.9 (@22$\Omega$)40 (测试条件)34mm HB Module低 Qrr，较好的平衡性能BMF240R12E2G3
1200 / 2405.530.01900 (@150°C)22.0 (@2.2$\Omega$)20 (测试条件)Pcore 2 E2B极低 Lσ，高功率密度，快速响应BMF360R12KA3
1200 / 3603.7≈40.06300 (@175°C)41.0 (@2.0$\Omega$)30 (测试条件)62mm HB Module极低 RDS(on)，大电流挑战BMF540R12KA3
1200 / 5402.5≈70.09500 (@175°C)60.0 (@2.0$\Omega$)30 (测试条件)62mm HB Module极高功率，CMV/CMC挑战性最高
注：部分 Crss 估算值基于模块 Coss 乘以典型 Crss/Coss 比值进行推算。
B. 典型SiC产品系列在不同应用中的共模性能预测
对 SiC 器件参数的分析表明，封装形式对 CMV/CMC 的抑制性能具有决定性影响。从分立器件（TO-247-4）到模块（Pcore 2 E2B/62mm Module），杂散电感 Lσ 从 50 nH 左右显著下降到 20 nH 到 30 nH 。这种 Lσ 的量级下降是 SiC 在高功率应用中实现 EMC 优化的核心物理基础，其重要性在很大程度上超越了单个『芯片』 Crss 的微小差异。在高功率电路中，总系统电感主导了瞬态电压应力和高频噪声。
高频应用（如 B3M013C120Z）： 极低的 Crss (14 pF) 使其在高开关频率下具有最佳的抗米勒效应能力。如果能配合低杂散电感的PCB设计，该器件是实现极致高频和低噪声电源转换器的理想选择。
中高功率应用（如 BMF240R12E2G3）： 该模块通过 Pcore 封装实现了 Lσ 降至 20 nH 的极低水平 。尽管其 Crss 略高（30 pF），但极低 Lσ 提供的系统级优势是实现卓越功率密度和EMC性能平衡的关键，使其成为电动汽车充电桩和高性能DC-DC转换器的理想选择。此外，该模块 VGS(th).typ=4.0 V 的高阈值电压 提高了器件对高 dv/dt 耦合引起的共模电压的抗误开通能力，增强了高频开关环境下的可靠性。
特大功率应用（如 BMF540R12KA3）： 此类模块追求极低 RDS(on) (2.5 mΩ) 以换取更高的电流容量，但代价是 Crss (约 70 pF) 和 Qrr ( 9.5 μC @ 175∘C ) 增大。在这些应用中，CMC/CMV的挑战最为突出，必须依赖先进的零共模 PWM 策略 和精心设计的共模滤波器，来弥补器件本身在寄生耦合上放大的倾向。
C. 针对特定高功率应用的共模抑制方案推荐
针对电动汽车电驱动等高功率应用，共模抑制必须从系统级集成设计入手：
利用零反向恢复特性： 推荐采用内置SiC肖特基二极管（SBD）或共封装SiC MOSFET/SBD的模块 ，最大限度地利用SiC的零
Qrr 优势。这能够消除换流瞬态的CMC激励，特别是对于大功率模块，即使在 175∘C 高温下，SiC的 Qrr 仍远低于Si IGBT。
热与电磁耦合的协同优化： 功率模块应采用先进的基板技术，如 Si3N4 陶瓷基板和铜基板 。这些材料具有优异的热循环能力和导热性能，能够提供更低的结到壳热阻 Rth(j−c) (例如BMF240R12E2G3的 Rth(j−c)=0.09 K/W) 。良好的热设计有助于维持较低的结温，限制
Qrr 在高温下的增加，从而间接稳定系统的EMC行为。
精细的开关波形控制： 在设计驱动电路时，必须利用SiC器件的Kelvin源引脚，实现栅极驱动回路和功率回路的解耦。这允许设计者通过外部 RG 对 dv/dt 和 di/dt 进行精细调控，以确保在高效率运行的同时，将瞬态电压尖峰限制在可接受的 EMC 水平。
VI. 结论与展望
A. SiC器件对CMV和CMC抑制的关键贡献总结
SiC功率器件通过其独特的物理和电学特性，为电力电子系统中的CMV和CMC抑制提供了强大的技术基础：
对耦合源的抑制： SiC MOSFET极低的栅极-漏极电容 Crss 减少了CMV耦合到栅极驱动回路的能量，显著增强了器件的抗扰性。同时，SiC体二极管或SBD的近零反向恢复特性 Qrr 根除了传统Si器件中换流瞬态高频 di/dt 尖峰的主要来源，从而直接抑制了超高频CMC。
对开关行为的赋能： SiC器件极短的开关延迟时间，配合先进的四引脚（Kelvin源）和超低杂散电感封装（Lσ 低至 20 nH），赋予了系统『设计师』精确控制开关瞬态的能力。这种对 dv/dt 和 di/dt 的精确控制，使得设计者能够在效率和EMC性能之间进行高度优化的权衡。
对系统优化的支持： SiC的高速响应能力使其能够完美配合零共模电压PWM调制策略，实现理论上消除CMV的系统运行目标。
B. 未来SiC器件技术和系统设计在EMC优化方向的展望
深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦『新能源』与电力电子变革的核心推动者：
倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率『半导体』与『新能源』汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：
『新能源』：覆盖光伏、储能、充电基础设施；
交通电动化：服务『新能源』汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；
『数字化』转型：支持AI算力电源、『数据中心』等新型电力电子应用。
公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。
需求SiC碳化硅MOSFET单管及功率模块，配套驱动板及驱动IC，请搜索倾佳电子杨茜
SiC技术在共模干扰抑制方面的潜力仍在不断挖掘中，未来的发展方向将集中在更深层次的集成化和智能化：
极致封装与集成化： 持续推动SiC功率模块向更低杂散电感（目标 Lσ<10 nH）和更优异热管理方向发展。这将包括将栅极驱动电路、保护电路以及传感器集成到『芯片』级封装内，以最小化所有寄生参数和耦合路径，实现真正的『芯片』级CM抑制。
拓扑与算法创新： 进一步研发能够利用SiC极高开关频率的零共模电压拓扑（如新型多电平变流器）以及具有适应性的PWM算法。这些算法应能动态调整 dv/dt 速率，在满足瞬态EMC标准的同时维持高效率。
精确建模和标准化： 随着SiC开关速度的不断提升，超高频寄生参数（包括电缆和负载）在CMC建模中的作用日益重要。行业需要建立更精确、更全面的CM和DM参数建模标准，以支持高频系统的精确EMC仿真和设计。
