高共模噪聲是汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)實(shí)用而可靠的動力總成驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)必須克服的一個(gè)重大問題。當(dāng)高壓逆變電源和其他電源進(jìn)行高頻切換時(shí)，共模噪聲（又稱 dV/dt 噪聲）便在系統(tǒng)內(nèi)自然生成。本文將討論混合動力系統(tǒng)驅(qū)動器內(nèi)各種 dV/dt 噪聲的來源，并提出一些方法來盡量減少噪聲對驅(qū)動電子設(shè)備的影響。

動力系統(tǒng)驅(qū)動器共模噪聲的來源和影響

在一個(gè)典型的混合動力總成驅(qū)動器子系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)分為高側(cè)與低側(cè)部分，每一側(cè)均為電機(jī)提供三相大電流（圖 1）。當(dāng)門極驅(qū)動器按順序切換高側(cè)與低側(cè)的 IGBT 時(shí)，就會產(chǎn)生高 dV/dt 噪聲。例如，一個(gè)與高壓（400V DC） 電源連接的且具有 50ns 上升與下降時(shí)間切換功能的典型動力系統(tǒng)，將會產(chǎn)生 400V/50ns 的 dV/dt 噪聲，而且每當(dāng)門極驅(qū)動器切換時(shí)即會產(chǎn)生 ~ 8kV/μs 噪聲。

圖 1. 典型的混合動力系統(tǒng)驅(qū)動器原理示意圖

如果由于某些故障而引發(fā)短路情況，額外的過沖電壓 （V=L*di/dt） 則會增加到 DC 總線電壓上，因?yàn)榱鹘?jīng)電路的雜散電感 L 的短路瞬態(tài)電流會出現(xiàn)巨大的變化率 di/dt。門極驅(qū)動電路必須能夠處理這一額外的 dV/dt 噪聲才能保持控制并執(zhí)行正確的保護(hù)協(xié)議。此外，像卡車和公共汽車等較大功率型混合動力汽車對于 DC 總線電源電壓的要求較高，而為了減少傳導(dǎo)損耗則需較快的切換頻率，這些都是為了不斷提高系統(tǒng)要求，而采用較高的 dV/dt 噪聲抑制技術(shù)的主導(dǎo)因素。如今，利用具備 15kV/μs 的 dV/dt 噪聲抑制能力的混合動力系統(tǒng)驅(qū)動器電路即可保持系統(tǒng)的整體性能、可靠性和穩(wěn)健性。

dV/dt 噪聲在系統(tǒng)內(nèi)通過寄生電容耦合而形成一種威脅，導(dǎo)致非預(yù)期性的電壓躍遷（圖 2）。通過寄生路徑耦合的躍遷則會由于不慎觸發(fā)某一功能或引發(fā)虛假反饋等情況而導(dǎo)致系統(tǒng)失控。雖然 dv/dt 噪聲非常令人討厭，但它在動力系統(tǒng)驅(qū)動器內(nèi)自然存在，正如之前所述。為了盡量減少其影響，設(shè)計(jì)人員必須鑒定 dV/dt 噪聲所有潛在的耦合路徑并加以遏制。

圖 2. 寄生電容耦合路徑

解決方案

因此，如果寄生電容是噪聲饋通的一大來源，明智之舉就是盡可能設(shè)法消除寄生電容。這樣可以大大降低dV/dt 噪聲。

當(dāng)然，一個(gè)良好的起點(diǎn)就是精良的電路設(shè)計(jì)和電路板布局。設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先通過出色的設(shè)計(jì)布局來盡量減少門驅(qū)動器外部/布局的寄生電容。電路板的高壓和低壓兩個(gè)相鄰區(qū)域之間務(wù)必保持最小的隔離間距。間距不足則會削弱有效的隔離并增加寄生耦合，從而降低共模抑制性能。

此外，對 dV/dt 噪聲較為敏感的高阻抗信號線（如 VIN+、VIN- 以及 Avago ACPL-38JT 等光隔離器的去飽和引腳）應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離相鄰的隔離區(qū)域，以避免寄生耦合發(fā)生。我們建議在驅(qū)動電源引腳旁安置旁路電容，以便盡可能縮小供電環(huán)路，并最大程度地減少共模瞬變電流引起的雜散電感耦合。圖 3 對兩套電路板的布局進(jìn)行了對比——圖 3a為一種 dV/dt 敏感的布局，圖 3b 為一種推薦的布局。

圖 3a. dV/dt 敏感布局示例

圖 3b. 推薦的布局

解決布局問題之后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)著手處理米勒電容耦合。通過米勒電容在切換過程中所耦合的 dV/dt 噪聲將會誘發(fā)瞬態(tài)噪聲電流。這種瞬態(tài)噪聲電流將流經(jīng)那些沿著布局路徑存在的雜散電感，從 IGBT 門一直通到門驅(qū)動器。

此電感影響門控電壓。為了盡量減少通過米勒耦合所產(chǎn)生的 dV/dt 噪聲之影響并呈現(xiàn)比較清晰的切換波形，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能縮小 IGBT 門極充電環(huán)路和放電環(huán)路。圖 4a 為 IGBT 門極驅(qū)動電流緩沖電路的示例；圖 4b 為一種參考的印刷電路板布局的示例。

圖 4a. 局部低側(cè) IGBT 切換電路

圖 4b. 局部電路布局參考圖

處理完米勒效應(yīng)寄生電容之后，則應(yīng)注重為應(yīng)用選擇最佳的隔離器。隔離器應(yīng)限制或抑制通過內(nèi)部寄生電容所耦合的共模噪聲。市面上有各種隔離技術(shù)可供選擇，例如光電隔離器（也稱為光電耦合器）、磁性（互感）隔離器、電容隔離器等設(shè)備。有關(guān)光電隔離器、互感隔離器和電容隔離器的內(nèi)部基本原理圖，可參見圖5。

光電隔離器是這些選項(xiàng)中最普及和最有效的隔離技術(shù)之一，可實(shí)現(xiàn)高共模抑制。Avago Technologies 為增強(qiáng)基本光電耦合器的性能所作出的努力提高了耦合器的共模抑制能力。以下列舉了一些增強(qiáng)的性能：

？ 低阻抗 LED 驅(qū)動器。LED 在打開時(shí)呈低阻抗，因而不易受到 dV/dt 噪聲引起的共模瞬態(tài)電流影響。此外，~80pF 的 LED 勢壘電容也有助于抑制高頻共模噪聲。

？ 光電二極管和光耦 IC 一側(cè)的內(nèi)部屏蔽。透明的屏蔽不僅允許光信號進(jìn)行傳輸，同時(shí)還有助于將共模瞬態(tài)電流重定向至地線，以免影響檢測器和 IC 電路。

互感隔離器和電容隔離器內(nèi)通常不設(shè)有內(nèi)部屏蔽。這主要是因?yàn)閮?nèi)部屏蔽會阻礙互感隔離器與電容隔離器內(nèi)各自的預(yù)期磁信號耦合及電容信號耦合。沒有屏蔽，非預(yù)期性 dV/dt 噪聲就會作為信號通過同一信道并影響控制信號。

圖 5. 光電耦合器 （a）、互感隔離器 （b） 和電容隔離器 （c） 的內(nèi)部基本原理

各種隔離器的 CMR 基準(zhǔn)測試

為了檢測各種隔離器的共模抑制 （CMR） 能力，Avago 選取了一些隔離門極驅(qū)動器來進(jìn)行共模抑制 （CMR） 內(nèi)部基準(zhǔn)測試。針對隔離門極驅(qū)動器所設(shè)的 CMR 典型基準(zhǔn)測試如圖 6 所示。

CMR 的基準(zhǔn)測試結(jié)果表明，光電耦合器比互感隔離器和電容隔離器具有更佳的 CMR。與供應(yīng)商 A（互感隔離器）和供應(yīng)商 B（電容隔離器）相比，Avago Technologies 門極驅(qū)動光電耦合器 （ACPL-38JT） 能夠承受高共模瞬態(tài)而不出現(xiàn)故障，且輸出高電平 （CMH） 和輸出低電平 （CML） 均能最少達(dá)到 30kV/μs CMR。測試結(jié)果的摘要如表1所示。

讓我們仔細(xì)比較一下三種不同隔離器的 CMH 波形。Avago 門極驅(qū)動光電耦合器的 CMH 波形顯示并無故障。由于低阻抗 LED 驅(qū)動器和內(nèi)部屏蔽，Avago 的門極驅(qū)動光電耦合器在 67kV/μs 的 dV/dt 和 VCM=1.5kV 時(shí)依然保持高輸出狀態(tài)，從而有效地提高了門極驅(qū)動器的 CMR，參見圖 7a。供應(yīng)商 A 的互感隔離器在 CMH 基準(zhǔn)測試中出現(xiàn)故障，即使將 VCM 設(shè)置到 500V，緩慢上升時(shí)間為 160ns （dV/dt~2.5kV/μs），門極驅(qū)動器仍無法在該測試中保持高輸出狀態(tài)，參見圖 7b。供應(yīng)商 B 的電容隔離器在 VCM 升至 900V 時(shí)， CMH 抗擾度降至 15kV/μs，在 VCM 升至 1kV 以上后顯現(xiàn)故障，無法通過高輸出測試 （dV/dt~4.5kV/μs），參見圖 7c。

ACPL-38JT 光電耦合器遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基本耦合器——該器件專門設(shè)計(jì)用于門極驅(qū)動系統(tǒng)并結(jié)合了集成去飽和 （VCE） 檢測和故障狀態(tài)反饋系統(tǒng)（圖 8）。集成去飽和檢測及反饋功能有助于精簡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，便于實(shí)施 IGBT VCE 故障保護(hù)，同時(shí)還能滿足汽車應(yīng)用的 AEC-Q100 1 級半導(dǎo)體要求。該光電耦合器還具備加強(qiáng)的絕緣性和增強(qiáng)的可靠性，達(dá)到了汽車和高溫工業(yè)應(yīng)用中的性能要求。

圖 8. Avago 的車用門極驅(qū)動光電耦合器 ACPL-38JT 功能結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

混合動力系統(tǒng)驅(qū)動器在惡劣的汽車環(huán)境內(nèi)工作時(shí)伴有大量的 dV/dt 噪聲。為了保持系統(tǒng)可靠性并確保乘客安全，

設(shè)計(jì)人員應(yīng)正確選用隔離裝置，并采用精良的布局與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以盡量減少非預(yù)期性共模噪聲的威脅。Avago

Technologies 的門極驅(qū)動光電耦合器結(jié)合了低阻抗 LED 驅(qū)動器與內(nèi)部屏蔽系統(tǒng)，能提供抑制高共模瞬態(tài)噪聲所需的性能。

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