高壓 SiC MOSFET (>3 kV) 為電壓轉換器提供了新的應用，因為它們具有快速的開關速度和更高的阻斷電壓 [1]。優點包括開關頻率的擴展水平、效率提高以及由于傳導而導致的損耗降低 [2]。除了這些好處之外，電壓傳感器的設計也存在一些挑戰，因為絕緣和更高的 dv/dt (50-100 V/ns) 與 10 kV SiC MOSFET相關的要求引人注目且具有挑戰性[3]、[4]、[5]。有多種選項可用于使用中壓電源測量電壓，這些選項包括霍爾效應傳感器、電容分壓器、電阻分壓器和電阻-電容階梯。在理想條件下，我們可以在電阻分壓器中找到無限帶寬。在實際場景中，需要一個用于輸出的濾波器，以限制預計會導致 RC 時間常數延遲的帶寬 [6]。關于這篇文章的更多信息可以在它的原始版本中找到。

傳感器設計

電源由兩個隔離的柵極驅動器組成，每個都是半橋，由 10 kV SiC MOSFET 組成，它們與 6.8 uF 子模塊的電容組合形成 MMC 子模塊。每個子模塊中存在 6.25 kV 的標稱電壓 [7]。表 1 總結了由轉換器和 MMC 子模塊確定的電壓傳感器設計要求。圖 3 展示了一般的電壓傳感器設計。這種設計存在各種挑戰，包括信號保真度、隔離設計和緊湊性。圖 1 顯示了電壓傳感器和測試裝置的電路圖。

表 1：電壓傳感器設計要求

圖 1：測試裝置的電路圖

提高抗噪能力

通過檢查和執行兩個步驟來提高抗噪性：噪聲源和接地驗證。

噪聲源

在 PEC 中觀察到的一些主要噪聲源是模數轉換器、傳感器和導致地彈或 EMI 產生的高壓 dv/dt [8]。為了從電阻分壓器傳輸模擬信號，選擇了具有基于 Sigma-Delta 的電壓到頻率的轉換器，以便它可以在光纖的幫助下將其傳輸數字化。MMC 相腳用于驗證電壓傳感器的接地。圖 2 顯示了電壓傳感器的示意圖。

圖2：電壓傳感器接地驗證示意圖

接地驗證

在測試直流電壓下，傳感器連接到高 dv/dt 點，即半橋子模塊。在最終的 MMC 中將經歷類似的 dv/dt，并且子模塊將接觸到它。來自具有 0V 值的 VFC 的連續更高輸出是必要的。

測試設置

較低的電壓設置用于測試和調試電壓傳感器，這是通過將電阻分壓器視為理想的并且存在于電路之外來完成的 [9]。已經觀察到，除非在具有更高電壓的環境中測試電壓傳感器，否則沒有關于噪聲的問題。使用一個子模塊作為半橋來測試電壓傳感器，并使用一個 175 mH 的電感器作為負載。為此選擇了 10 kHz 的開關頻率和 300 Hz 的基頻 [9]。

結果

本節將重點介紹上面討論的所有改進和程序。表2描述了R 1 a、R 1 b、R 2和C foll 的值，?也顯示在圖1中。通過降低輸入電壓來提高 SNR 比，從而提高抗噪性。這會導致功率損耗增加，但允許精確測量分壓器。C的值FOLL還增加以減少帶寬。這提高了抗噪性，但會引起延遲，因為增加的電容意味著增加 RC 時間。還改進了布局和屏蔽以實現信號完整性并減少傳輸線中的噪聲耦合 [9]。

表2：的值- [R 1一個，- [R 1個b，- [R 2，和? FOLL

圖 3：電壓傳感器原型

結論

本文分析了一些旨在改進噪聲傳感器的技術。電壓傳感器誤差的主要來源是電阻分壓器。其背后的原因是，在 IPC-2221 存在的情況下，這需要很大的絕緣距離，同時具有緊湊的設計以及具有 10kV 電壓的 SiC 器件的高 dv/dt。為了提高電壓傳感器的噪聲抗擾度，已經考慮了多個方面，例如：提高 SNR 的文獻，導致 BW 的降低，引入高壓電阻器串布局的變化，最后進行屏蔽。具有可復制能力且可靠的設計已被用于測試噪聲免疫傳感器。所有數據均來自真實來源。

審核編輯：湯梓紅