EMI 测量是使用电源输入端的 LISN

EMI 测量是使用电源输入端的 LISN 进行的。LISN 为测量提供定义的源阻抗并消除低频信号。

图 1：标准 LISN

图 1 显示了标准 LISN。接收器中的 50Ω 终端带有 100nF 电容，给出 30kHz 的 LF 截止频率；它有效地消除了测量中的电源纹波，因此接收器可以看到小的电平干扰。要使用示波器观察高频干扰，必须移除主要电源。LISN 中使用的 50Ω 系统会改变系统并使测量结果显着失真，因此使用高阻抗滤波器（1nF 电容，10k 至 GND）。滤波器去除低频成分。在电路没有明显负载的情况下，仅可见高频噪声。示波器数学通道用于计算噪声的微分部分。(ch1-ch2) 并实时了解过滤器的有效性。

测量

使用 HF 滤波器，可以在 PFC 原理图周围的各个节点处看到噪声（图 2）。重叠的绿色和黄色迹线显示对地电压，浅蓝色迹线是差分电压。请注意，数学通道的缩放比例为 2V/p 和 1V p。

查看各种情节；（5）输出端，经过电感后几乎没有共模噪声（蓝色）。在 MOSFET (4) 处，可以清楚地看到共模噪声与 MOSFET 的开关同步。图 3 显示了滤波器应衰减的噪声，共模噪声占主导地位，但差分噪声也很显着。图 2 显示了滤波器之后的噪声。缩放比例与图 3 相同，开关频率共模噪声已降低 14dB，从 ~1V 降低至 ~200mV；我们可以对过滤级有更多的期待。

图 2：原理图周围的高频噪声

这些图清楚地显示噪声是由 MOSFET 产生的（不足为奇！），但更令人惊讶的是，大多数高频噪声是共模噪声（图 1-3）。移除接地散热器的漏极证实了 MOSFET 外壳的电容（在 20nS 内切换至 400V）会产生大部分共模噪声。

注入散热器的电流 MOSFET 片的面积约为 245mm?。它安装在一个 100μm 隔离器上，该隔离器对散热器产生约 120pF 的电容。在 20V/nS 时，注入散热器的电流为 400mA。该电流的返回部分首先是本地 Y 电容。忽略电感; Y电容上的电压可以用分压器来计算；120pF 和 400V 的标签电容除以 Y 电容器 (2x4n7)，导致 Ycap 上方 5V (134dBμV)（接近测量值）。满足 65dBμV EMC 限值；需要一个衰减约 70dB 的滤波器。由于Y电容值因漏地电流而受到限制，因此只能增加电感。200kHz 时 65dB 的 2 级滤波器可能具有 10mF 和 10nF Ycap，但尺寸较大且昂贵。

较厚的隔离器（例如 2mm 氧化铝）可以将电容减小 10 倍，但在此应用中，需要散热膏，并且热阻会显着降低。良好 EMI 实践的首要规则是尽可能从源头消除噪声发生器；这里很容易，将冷却片连接到源极的晶体管将消除注入散热器的开关电压电荷。多个供应商均提供具有源极连接冷却功能的 TO-247 封装 GaN 晶体管，Nexperia 还提供了 GaN-063-650W 样品。

GaN 晶体管的修改

首先要注意的是 GaN 的引脚排列与标准 T0-247 不同。标准MOSFET有，漏极在中间；GaN 的源极作为中心引脚。用GaN晶体管代替MOSFET；GaN 腿必须弯曲，漏极和源极必须有效交换。PTFE 套管用于保证隔离。改进引线意味着 GaN 上的源极比平常更长并且具有更大的电感；这可能会产生开关问题以及高电流下可能的振荡。这并不理想，但确实允许快速浏览，而无需重新设计电路板。

图 3：改造 Gan 腿

15nC的GaN栅极电荷约为类似 MOSFET 的十分之一，因此栅极电阻增加到 18Ω，这也意味着可以去除额外的驱动级，并且可以直接从 PFC 控制器驱动晶体管。

测量

图 4 显示了类似的漏源开关波形。个惊喜是干净的开关波形，尽管引线弯曲。关断开关速度 (dV/dt) 相似，但 GaN 在关断开始时不具有初始缓慢上升时间。栅极变低和开关之间的短暂延迟是 Vds<50V 时输出电容小得多的好处。GaN 的开通速度稍快一些，为 40V/nS，大约是 MOSFET 的两倍，关断时的振铃类似。考虑到晶体管是如何安装带有非常长的源极引线的扩展改良引线，在导通时会出现更多的振铃，这并不奇怪。

图 5 中的 EMI 图清楚地显示了源连接选项卡的优势。整个频谱看起来更干净，170kHz 处的发射降低了约 10dB。测试表明，通过添加更大的 x 电容器可以进一步降低 170kHz 辐射，而对于 MOSFET，则需要更大的 Ycap 和 Xcap。MOSFET 的上升时间为 20nS，而 GaN 的上升时间为 10nS，因此 GaN 噪声频谱将具有双截止频率，但更重要的是实际上消除了开关漏极到散热器的电容。通过使用GaN消除了底盘中的注入电流；我们希望机箱很安静。进一步调查显示，SiC 二极管阴极引线的电感现在是机箱中的主要噪声注入源。阴极引线电感中的开关电流，在标签上感应出电压。该电压电容耦合到散热器并将电流注入底盘。由于这里没有大电压，二极管引线和 elco 之间的小缓冲器以的成本和功率损耗消除了大部分噪声。典型的 EMC，消除一个噪声源之后就会发现更多噪声源。

图 4：开关波形比较


图 5：EMI 测量 Mosfet 和 GaN

结论

使用源极接片晶体管从根本上消除了 EMI 的重要来源。尽管有很长的弯曲引线，但 GaN 的性能却让我感到惊讶。具有源极中心引脚 TO-247 的引脚排列将允许比电流漏极接片晶体管更好的布局，并且可能具有更多的 EMI 改进和更低的损耗。