高電壓和高dv/dt中的電壓傳感器抗噪性

快速的開關(guān)速度、高阻斷電壓和較低的 R on用于電壓轉(zhuǎn)換器的高壓 SiC MOSFET （》3 kV） 已經(jīng)實現(xiàn)了新的應用，從而帶來了諸如擴大開關(guān)頻率水平、提高效率和降低損耗等優(yōu)勢。但是在設計電壓傳感器時要面臨一些挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與絕緣的嚴格要求以及與 10 kV SiC MOSFET? 相關(guān)的更高 dv/dt （50-100 V/ns） 相關(guān)。有不同的方法可以測量中壓電源的電壓，其中一些是霍爾效應傳感器、電容分壓器、電阻分壓器和電阻-電容梯。在理想條件下，我們可以在電阻分壓器中找到無限帶寬。

傳感器設計

電源由兩個隔離的柵極驅(qū)動器組成，每個驅(qū)動器為半橋，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。每個子模塊的標稱電壓為 6.25 kV。表 1 總結(jié)了由轉(zhuǎn)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。這種設計面臨各種挑戰(zhàn)，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(zhí)行兩個步驟來提高抗噪能力：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(shù)轉(zhuǎn)換器、傳感器和導致接地反彈或 EMI 產(chǎn)生的高壓 dv/dt 。對于來自電阻分壓器的模擬信號的傳輸，選擇了具有基于 sigma-delta 的電壓到頻率的轉(zhuǎn)換器，以便它可以在光纖的幫助下將其傳輸數(shù)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，傳感器連接到作為半橋子模塊的高 dv/dt 點。類似的 dv/dt 將在最終的 MMC 中出現(xiàn)，并且子模塊將暴露于其中。來自具有 0V 值的 VFC 的持續(xù)較高輸出是必要的。

測試設置

使用較低電壓設置來測試和調(diào)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外來完成的。據(jù)觀察，除非電壓傳感器在具有更高電壓的環(huán)境中進行測試，否則不會出現(xiàn)關(guān)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。為此目的選擇了 10 kHz 的開關(guān)頻率和 300 Hz 的基頻。

結(jié)果

本節(jié)將重點介紹上面討論過的所有改進和程序。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 比來提高抗噪能力。這會導致功率損耗增加，但可以準確測量分壓器。C的值也增加以減少帶寬。這提高了抗噪性，但會導致延遲，因為增加的電容意味著增加的 RC 時間。布局和屏蔽也得到了改善，以確保信號完整性并減少傳輸線中的噪聲耦合。

表 2：R1a、R1b、R2 和 Cfoll 的值

結(jié)論

本文分析了一些旨在改進噪聲傳感器的技術(shù)。電壓傳感器的主要誤差來源是電阻分壓器。其背后的原因是，在存在 IPC-2221 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，人們考慮了各種不同的點，例如：增加 SNR 以減少 BW，改變高壓電阻串的布局，最后進行屏蔽。具有可復制能力且可靠的設計已用于測試噪聲免疫傳感器。所有數(shù)據(jù)均來自真實來源。

審核編輯：郭婷