车辆电磁兼容基础：功率电子器件的瞬变

1.功率二极管

功率二极管是以PN结为基础的，实际上就是由一个面积较大的PN结和两端引线封装组成的。功率二极管可以被看做开关器件，它在正偏时短路，反偏时开路。在实际二极管开断过程中，二极管从一个状态转移到另一个状态不是瞬时的。功率二极管的开通过程如图3-10所示。在t₀时刻，二极管上的电压从断开状态转向接通状态。接通状态时的电流迅速增加，但首先在二极管上出现了一个相当高的通态电压。在时间间隔t_f内，这一电压降到它的稳态值。这一段时间是载荷子进入耗尽区（PN结）所需要的，电压尖峰就是一个宽带发射。二极管在它的关断操作中会发射电磁波。关断电压和关断电流曲线如图3-11所示。在t₀时刻通态电流下降为0。

与理想的二极管不同，功率二极管由于在耗尽区以少数载流子形式存储电荷，电流转变为负值。电流都是反向流动，直到载荷子出现之前。从图3-11中可以看出，反向电流迅速趋向0（t_s≪t_r），或者说趋向反向电流稳态值。反向脉冲电流的幅度、持续时间及形状是二极管特性和电路参数的函数。由于反向电流振幅I_m特别高，并且关断时间非常短（通常小于1s），导线的电感和相连电路中会出现高压跳变，它具有宽频谱。

图3-10 二极管接通时电压电流波形

图3-11 二极管关断时电压电流波形

2.晶闸管（SCR）

晶闸管是晶闸管整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件。晶闸管器件是一种非常重要的功率器件，可用来进行高电压和高电流的控制。晶闸管器件主要用于开关器件，使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然。

图3-12 SCR接通时电压电流波形(www.xing528.com)

晶闸管和功率二极管一样，在接通及断开的过程中都要产生高频干扰。但与二极管相反，其高频噪声强度在开通时比在关断时要高得多。晶闸管关断噪声的产生与二极管类似，因此EMI强度也类似。晶闸管开通时的电压和电流波形如图3-12所示，触发信号在t₀时刻加到门极，只有在经过了一个给定时间（称为延迟时间）之后，耗尽区才开始导通。随后，晶闸管上的电压迅速趋零，但不是立即完成。阳极与阴极之间电压的快速趋零，从而产生了高频干扰。由于开关时间约为0.5～2μs，所以产生的高频频谱是很宽的。开关时间将随着阴极电压的减少而增加，但是也与晶闸管的额定电流有关。具有不同电流速率时SCR的EMI性能如图3-13所示。

图3-13 具有不同电流速率时SCR的EMI性能

3.功率晶体管

功率晶体管作为大功率半导体开关在汽车电子系统中有很多的应用，一般可作为放大器应用在电源串联调压电路，以及音频和超声波放大等领域。

电驱动技术是现代电动汽车关键技术之一，在需要DC-DC、DC-AC等电源转换的场合，设计人员基本都选取了金属-氧化层-半导体-场效晶体管（MOSFET）或者绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。大功率器件IGBT驱动电路的设计则是保证电动汽车可靠运行的关键性因素。IG-BT模块利用电压驱动，具有驱动功率小、饱和导通电压低、工作可靠等优点，成为新一代全控型电力电子器件。

功率晶体管产生的干扰与晶闸管产生的干扰相同。图3-14a画出了一个功率晶体管在接通时的电压与电流曲线。图3-14b所示为功率晶体管在关断时的集电极电压和集电极电流。在t₀时刻开始关断，集电极电流持续流动一段时间t_s，称为存储时间。在这段时间内，载荷子将从耗尽层消去。在存储时间过后，集电极电流将降为0。集电极电流的下降时间主要取决于晶体管的额定功率，所以是相当短的，通常约为10ns～100μs，因此功率晶体管产生的EMI频谱比晶闸管或换向器产生的EMI频谱宽得多。

图3-14 功率晶体管开关过程

a）接通 b）关断