隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展，電力電子器件的開關(guān)速度越來越快，工作電壓逐漸升高，致使電壓探頭的性能對電力電子器件暫態(tài)電壓測量結(jié)果的影響程度增大。北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院、清華大學(xué)電機系、德州農(nóng)工大學(xué)電氣與計算機工程系的研究人員何杰、劉鈺山、畢大強、李曉，在2021年第2期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，分析了幾種實驗室常用的示波器電壓探頭的測量原理，根據(jù)電壓探頭的電路分析模型，研究探頭的帶寬/上升時間、寄生電感和共模抑制比等幾個關(guān)鍵因素對高頻暫態(tài)電壓測量結(jié)果的影響。最后搭建實驗平臺，驗證了該理論分析的有效性。

 

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件具有更高的擊穿電壓、開關(guān)速度和溫度容限，在電力電子系統(tǒng)中的優(yōu)勢日益凸顯。依據(jù)SiC/GaN器件開關(guān)特性展開的研究有很多，如器件建模、驅(qū)動器改進、串?dāng)_抑制等，然而隨著開關(guān)速度的提高，SiC/GaN器件在研究和應(yīng)用過程中逐漸顯現(xiàn)出其暫態(tài)電壓難以精確測量的問題，這很可能導(dǎo)致相關(guān)研究結(jié)論存在一定偏差。

 

探頭作為測量系統(tǒng)的重要組成部分，直接與被測電路相連，因此正確選擇和使用電壓探頭對電壓信號精確測量至關(guān)重要。相比于傳統(tǒng)硅器件，SiC/GaN器件的暫態(tài)時間更短，電壓探頭的性能對SiC/GaN器件暫態(tài)電壓測量結(jié)果的影響程度更大，目前國內(nèi)外對電壓探頭研究的重視度不足。

 

北航等院校科研人員在進行雙脈沖測試實驗時，發(fā)現(xiàn)上管驅(qū)動側(cè)電壓的實測波形與理論不符，深入分析和研究表明，是所用探頭的共模抑制比較低所致。對于電壓探頭在測量高頻暫態(tài)電壓時出現(xiàn)的一些問題，如探頭和示波器不匹配、多通道信號顯示不同步、探頭帶寬選擇錯誤等，現(xiàn)有研究的分析尚不充分。

 

極少數(shù)主流的探頭廠商會給出應(yīng)用手冊予以說明，但是這些手冊缺乏對探頭電路原理的分析，致使使用者對問題出現(xiàn)的原因不能充分理解。而相關(guān)研究重點關(guān)注的是目標(biāo)信號的整體開關(guān)波形或變化幅度而非局部暫態(tài)波形。

 

 

電壓探頭會顯著影響SiC器件高頻暫態(tài)電壓測量的精確性，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(tài)電壓的精確測量至關(guān)重要。北航等院校的科研人員針對這一現(xiàn)象進行了深入分析：首先說明了電壓探頭的種類及其主要性能指標(biāo)，建立了幾種典型示波器探頭的電路模型；其次定性和定量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(guān)鍵因素對探頭測量結(jié)果的影響；最后通過實驗測試驗證了有關(guān)分析。

 

 

理論分析和實驗結(jié)果表明，為精確測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）明確所測暫態(tài)電壓的特點，并結(jié)合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(jù)開關(guān)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(jù)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。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。

 

以上研究成果發(fā)表在2021年第2期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“電壓探頭對寬禁帶器件高頻暫態(tài)電壓精確測量的影響”，作者為何杰、劉鈺山、畢大強、李曉。