建立的探頭模型和對暫態電壓精確測量實驗分析

1、實驗平臺

本文搭建了基于SiC MOSFET C3MO075120K的雙脈沖測試平臺，以驗證所建立的探頭模型和對暫態電壓精確測量所做的分析，實驗平臺如圖11所示。表2列出實驗平臺的主要設備及其規格，表3列出用于測試的典型示波器電壓探頭參數，其中光隔離探頭TIVH08由于接口兼容問題只能接入到現有低帶寬示波器MDO3014。圖12～圖15為實驗結果。

2、實驗結果

圖12比較了有源差分探頭DP6150B和P5200A

表2.雙脈沖測試平臺的主要設備及其規格

表3.測試用示波器電壓探頭參數

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的值；斜杠“/”表示對應參數不存在或未在數據表中說明。

圖12.有源差分探頭DP6150B和P5200A測量VGS2所得波形比較

測量VGS2得到的暫態波形,此時的母線電壓為50V。可見高帶寬探頭DP6150B的實測波形較好地保留了vcs2上升或下降過程中的短暫停滯現象，而該現象在低帶寬探頭P5200A的實測波形中并不明顯，這說明高帶寬使探頭實測波形在較大程度上保留了原始信號的高頻細節。因此，選擇低帶寬探頭測量開關器件的驅動波形時，可能無法得到該器件準確的驅動特性，特別是當低帶寬探頭用在比較不同驅動器的驅動能力或比較不同開關器件的驅動特性的研究中時，可能無法得到準確的結論。

圖13為用高阻無源探頭P5050測量VDS2上升暫態波形在帶有鱷魚夾和外接引線、僅帶有鱷魚夾及僅帶有接地彈簧的三組結果，可知三組暫態波形對應探頭的地線電感依次減小，而其振蕩程度也依次減弱，這說明探頭前端寄生電感越小，其測量振蕩情況的保真度越好。

圖13.高阻無源探頭P5050在不同的探頭地線電感下測量VDS2所得的波形比較

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

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量VGS1得到的波形。VGS1在圖14與圖15中的實測暫態波形與其在圖6b中的仿真暫態波形具有一致的變化趨勢，但實測暫態波形出現較為明顯的振蕩現象，一方面是因為實驗電路的寄生電感較大;另一方面是因為探頭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測量VGS1所得波形

對比圖14與圖15可以發現，高共模抑制比探頭TIVH08的實測波形在暫態過程結束后，始終鉗制在反偏驅動電壓（-3V左右）上；與之不同，低共模抑制比探頭DP6150B的實測波形在暫態過程結束后,與反偏驅動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測量VGS1所得波形

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

低共模抑制比探頭不僅使VGS1的穩態波形產生測量偏差，也使其暫態過程擾動幅度產生一定程度的測量偏差。不能準確測量開關器件的實際串擾波形和串擾程度，則難以準確得到開關器件可靠工作時的電壓、電流、溫度等條件，進而當開關器件的工作條件不合適時，將有可能導致開關器件的誤導通或驅動側反向擊穿。

3、結論

正確選擇和使用電壓探頭對寬禁帶電力電子器件高頻暫態電壓的精確測量至關重要。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/上升時間、寄生電感和共模抑制比等幾個關鍵因素對探頭測量結果的影響。

理論分析和實驗結果表明，為精確測量寬禁帶電力電子器件的高頻暫態電壓，應采取以下措施：

1）明確所測暫態電壓的特點，并結合表1所列幾類常用電壓探頭的特性，進而確定合適的探頭進行測量。

2）根據開關器件輸入/輸出電容的大小和波形測量精度的需要，確定電壓探頭的輸入電容和帶寬/上升時間。

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、縮短探頭和探測點間非必要的接線等。

4）測量差分信號時，根據信號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，見表1，有源高壓差分探頭的共模抑制比在高頻時通常較低，其不適用于測量具有低共模分量的差分信號，該類信號可由共模抑制比性能突出的光隔離探頭測量。

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審核編輯：符乾江