建立的探頭模型和對(duì)暫態(tài)電壓精確測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析

1、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文搭建了基于SiC MOSFET C3MO075120K的雙脈沖測(cè)試平臺(tái)，以驗(yàn)證所建立的探頭模型和對(duì)暫態(tài)電壓精確測(cè)量所做的分析，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示。表2列出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要設(shè)備及其規(guī)格，表3列出用于測(cè)試的典型示波器電壓探頭參數(shù)，其中光隔離探頭TIVH08由于接口兼容問(wèn)題只能接入到現(xiàn)有低帶寬示波器MDO3014。圖12～圖15為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12比較了有源差分探頭DP6150B和P5200A

表2.雙脈沖測(cè)試平臺(tái)的主要設(shè)備及其規(guī)格

表3.測(cè)試用示波器電壓探頭參數(shù)

注：“；”前后兩值分別表示共模抑制比在直流和探頭額定帶寬時(shí)的值；斜杠“/”表示對(duì)應(yīng)參數(shù)不存在或未在數(shù)據(jù)表中說(shuō)明。

圖12.有源差分探頭DP6150B和P5200A測(cè)量VGS2所得波形比較

測(cè)量VGS2得到的暫態(tài)波形,此時(shí)的母線電壓為50V?？梢?jiàn)高帶寬探頭DP6150B的實(shí)測(cè)波形較好地保留了vcs2上升或下降過(guò)程中的短暫停滯現(xiàn)象，而該現(xiàn)象在低帶寬探頭P5200A的實(shí)測(cè)波形中并不明顯，這說(shuō)明高帶寬使探頭實(shí)測(cè)波形在較大程度上保留了原始信號(hào)的高頻細(xì)節(jié)。因此，選擇低帶寬探頭測(cè)量開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)波形時(shí)，可能無(wú)法得到該器件準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)特性，特別是當(dāng)?shù)蛶捥筋^用在比較不同驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力或比較不同開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)特性的研究中時(shí)，可能無(wú)法得到準(zhǔn)確的結(jié)論。

圖13為用高阻無(wú)源探頭P5050測(cè)量VDS2上升暫態(tài)波形在帶有鱷魚(yú)夾和外接引線、僅帶有鱷魚(yú)夾及僅帶有接地彈簧的三組結(jié)果，可知三組暫態(tài)波形對(duì)應(yīng)探頭的地線電感依次減小，而其振蕩程度也依次減弱，這說(shuō)明探頭前端寄生電感越小，其測(cè)量振蕩情況的保真度越好。

圖13.高阻無(wú)源探頭P5050在不同的探頭地線電感下測(cè)量VDS2所得的波形比較

VDS2的過(guò)沖幅度可用以估算功率回路的寄生電感，但當(dāng)探頭前端寄生電感增大時(shí)，測(cè)得的VDS2過(guò)沖幅度與真實(shí)值的偏差也將增大，這導(dǎo)致測(cè)得的VDS2過(guò)沖幅度不能正確反映電路實(shí)際寄生電感的大小。VDS2的極大值可用來(lái)確定開(kāi)關(guān)器件安全工作的母線電壓范圍，探頭前端寄生電感較大時(shí)，測(cè)得的VDS2極大值偏大，這將導(dǎo)致由此確定的工作電壓范圍較小，不能充分利用開(kāi)關(guān)器件的性能。

圖14與圖15分別為光隔離探頭TIVHO8和有源差分探頭DP6150B在不同的母線電壓下測(cè)量VGS1得到的波形。VGS1在圖14與圖15中的實(shí)測(cè)暫態(tài)波形與其在圖6b中的仿真暫態(tài)波形具有一致的變化趨勢(shì)，但實(shí)測(cè)暫態(tài)波形出現(xiàn)較為明顯的振蕩現(xiàn)象，一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)電路的寄生電感較大;另一方面是因?yàn)樘筋^本身具有一定的寄生電感，尤其是DP6150B。

（a）共模電壓幅度約為100V

（b）共模電壓幅度約為200V

（c）共模電壓幅度約為300V

圖14.不同共模電壓下光隔離探頭TIVH08測(cè)量VGS1所得波形

對(duì)比圖14與圖15可以發(fā)現(xiàn)，高共模抑制比探頭TIVH08的實(shí)測(cè)波形在暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，始終鉗制在反偏驅(qū)動(dòng)電壓（-3V左右）上；與之不同，低共模抑制比探頭DP6150B的實(shí)測(cè)波形在暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后,與反偏驅(qū)動(dòng)電壓值存在一定程度上的偏差，

（a）共模電壓幅度約為100V

（b）共模電壓幅度約為200V

（c）共模電壓幅度約為300V

圖15.不同共模電壓下有源差分探頭DP6150B測(cè)量VGS1所得波形

且偏差隨著共模電壓幅度增大而增大。這說(shuō)明高共模抑制比和低共模電壓能有效地減小探頭測(cè)量結(jié)果的“共模誤差”。

低共模抑制比探頭不僅使VGS1的穩(wěn)態(tài)波形產(chǎn)生測(cè)量偏差，也使其暫態(tài)過(guò)程擾動(dòng)幅度產(chǎn)生一定程度的測(cè)量偏差。不能準(zhǔn)確測(cè)量開(kāi)關(guān)器件的實(shí)際串?dāng)_波形和串?dāng)_程度，則難以準(zhǔn)確得到開(kāi)關(guān)器件可靠工作時(shí)的電壓、電流、溫度等條件，進(jìn)而當(dāng)開(kāi)關(guān)器件的工作條件不合適時(shí)，將有可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的誤導(dǎo)通或驅(qū)動(dòng)側(cè)反向擊穿。

3、結(jié)論

正確選擇和使用電壓探頭對(duì)寬禁帶電力電子器件高頻暫態(tài)電壓的精確測(cè)量至關(guān)重要。本文建立了幾種典型示波器探頭的電路分析模型，分析了電壓探頭的帶寬/上升時(shí)間、寄生電感和共模抑制比等幾個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)探頭測(cè)量結(jié)果的影響。

理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，為精確測(cè)量寬禁帶電力電子器件的高頻暫態(tài)電壓，應(yīng)采取以下措施：

1）明確所測(cè)暫態(tài)電壓的特點(diǎn)，并結(jié)合表1所列幾類常用電壓探頭的特性，進(jìn)而確定合適的探頭進(jìn)行測(cè)量。

2）根據(jù)開(kāi)關(guān)器件輸入/輸出電容的大小和波形測(cè)量精度的需要，確定電壓探頭的輸入電容和帶寬/上升時(shí)間。

3）盡可能地減小電壓探頭前端的寄生電感,有效措施包括采用接地彈簧、縮短探頭和探測(cè)點(diǎn)間非必要的接線等。

4）測(cè)量差分信號(hào)時(shí)，根據(jù)信號(hào)共模分量和差模分量之比，選擇合適共模抑制比的差分探頭，見(jiàn)表1，有源高壓差分探頭的共模抑制比在高頻時(shí)通常較低，其不適用于測(cè)量具有低共模分量的差分信號(hào)，該類信號(hào)可由共模抑制比性能突出的光隔離探頭測(cè)量。

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審核編輯：符乾江