電力電子應(yīng)用如何選擇合適探頭？

引言

電力電子是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要應(yīng)用。設(shè)計(jì)師和消費(fèi)者都在為眾多日常應(yīng)用（例如平板電腦、手機(jī)、耳機(jī)以及汽車市場(chǎng)中的電動(dòng)汽車開發(fā)）尋求更長的續(xù)航時(shí)間。

該技術(shù)主要涵蓋四個(gè)關(guān)鍵類別：AC/DC整流器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC逆變器和AC/AC轉(zhuǎn)換器。工業(yè)應(yīng)用多種多樣，對(duì)分布式發(fā)電（DG）、微電網(wǎng)（MG）和智能電網(wǎng)（SG）系統(tǒng)等可持續(xù)能源發(fā)電行業(yè)至關(guān)重要。

功率轉(zhuǎn)換技術(shù)

功率轉(zhuǎn)換器將輸入能量的屬性值（如幅度、頻率、相位）轉(zhuǎn)化為期望輸出的其他值。在現(xiàn)代工業(yè)中，對(duì)各種功率轉(zhuǎn)換器的性能要求在容量、電壓等級(jí)、效率和尺寸（與開關(guān)頻率相關(guān)的問題）方面越來越嚴(yán)格。

為了提高現(xiàn)有功率轉(zhuǎn)換器的性能，用寬禁帶 (WBG) 開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅開關(guān)器件，氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMTs）和碳化硅（SIC）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）是目前最常用的寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有比硅材料更優(yōu)越的特性。

寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)使得GaN HEMT在低功率（<1 kW）到中功率（<10 kW）應(yīng)用中得到了更多的采用，SiC MOSFET更適用于中功率（<10kW）到高功率（>10 kW）的應(yīng)用。

目前，GaN HEMT的優(yōu)點(diǎn)尚未得到充分利用，因?yàn)镚aN和襯底之間的熱阻較大，會(huì)導(dǎo)致自熱問題，可能導(dǎo)致開關(guān)器件過熱。然而，GaN HEMT可以提供更高的效率和開關(guān)速度，SiC MOSFET提供更高的電壓、電流和溫度特性。

使用寬禁帶半導(dǎo)體開關(guān)器件的主要挑戰(zhàn)是克服其高轉(zhuǎn)換率帶來的潛在問題，這可能會(huì)惡化電磁干擾（EMI）水平，并可能導(dǎo)致電壓振蕩和不穩(wěn)定。

可以確定的是，隨示波器一起交付的標(biāo)準(zhǔn)無源探頭不適用于一般功率分析。這種應(yīng)用需要一個(gè)更具體的解決方案，這個(gè)解決方案是根據(jù)您希望采用的探測(cè)技術(shù)以及要測(cè)試的功率器件類型來定義的。

下面是電力電子應(yīng)用中常用的功率器件類型，了解您的產(chǎn)品中應(yīng)用了哪些類型的功率器件，是選擇正確的探測(cè)解決方案的第一步。力科擁有業(yè)界最全面的探頭解決方案，您可以根據(jù)自己的應(yīng)用選擇合適的探頭進(jìn)行測(cè)試。

如何為特定測(cè)量需求選擇正確的探頭？

確定功率轉(zhuǎn)換探測(cè)需要的最佳探頭的一個(gè)簡單方法是：首先，確定您是在進(jìn)行功率器件研究還是系統(tǒng)開發(fā)。

其次，確定使用的功率器件的類型（硅或?qū)捊麕О雽?dǎo)體）。如果是硅，則確定電壓；如果是寬禁帶半導(dǎo)體，則確定使用的是SiC還是GaN。

Vds和Vgs的測(cè)量

探頭的選擇取決于：

半橋的上管還是下管的測(cè)量

電壓范圍

–汽車：48 V

–電源：>100 V

開關(guān)頻率/上升時(shí)間

–SiC或GaN

半橋的上管–不參考地的電壓

半橋的下管–相對(duì)于地的電壓

負(fù)載–高電壓

探頭應(yīng)用

當(dāng)進(jìn)行不同的功率分析應(yīng)用時(shí)，探頭可提供不同的測(cè)量精度。以下是針對(duì)不同應(yīng)用推薦使用的力科探頭。

01-測(cè)量下管Vgs信號(hào)

02-測(cè)量下管Vds信號(hào)

03-測(cè)量上管Vgs信號(hào)

04-測(cè)量上管Vds信號(hào)

測(cè)量設(shè)置

圖中所示的設(shè)置包括WavePro 804HD示波器、T3AWG3352任意波形發(fā)生器、DL10-ISO光隔離探頭、DL10-HCM高共模探頭、CP30A電流探頭和Infineon GaN半橋評(píng)估板。該板由具有單個(gè) 5 V 電源的 T3PS3000 電源（未顯示）供電。

T3AWG3352提供一個(gè)PWM輸入，電路板可以工作到2 MHz。使用DL10-ISO探頭測(cè)量上管柵極，而使用DL10-HCM探頭測(cè)量下管柵極?？偩€電壓也由T3PS3000提供，但電壓限制到40 V，輸出電流波形由CP30A電流探頭測(cè)量。

下圖是用DL10-ISO捕獲的高上管柵極和用DL10-HCM捕獲的下管柵極。

力科高壓光隔離探頭

力科高壓光隔離探頭具有1GHz帶寬、2500V差分輸入范圍和60 kV共模電壓范圍，非常適合GaN和SIC器件表征工程師和系統(tǒng)開發(fā)工程師。如圖與力科12位高精度示波器（HDO）相結(jié)合，可以獲得1.5%的系統(tǒng)精度，幾乎是市場(chǎng)上替代解決方案的兩倍。同時(shí)可提供豐富的連接方式，是GaN和SiC測(cè)試的理想探頭。

力科高壓光隔離探頭主要特性：

帶寬：350 MHz, 700 MHz 和1GHz

輸入電壓：2 V 到2500 V

共模電壓：60 kV

160 dB CMRR

1.5% 的系統(tǒng)增益精度

上升時(shí)間：435ps

無需斷開也可自動(dòng)歸零

靈活的連接方式

力科高壓光隔離探頭主要應(yīng)用：

服務(wù)器、主板、照明和樓宇自動(dòng)化、住宅逆變器、UPS、開關(guān)電源、家用和商用電器中的電機(jī)等

關(guān)于力科

力科（Teledyne Lecroy）是高端示波器、協(xié)議分析儀和其他測(cè)試儀器的領(lǐng)先制造商，可快速全面地驗(yàn)證電子系統(tǒng)的性能和合規(guī)性，并進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)試分析。

1964 年成立以來，公司一直專注于將強(qiáng)大的工具整合到創(chuàng)新產(chǎn)品中，以提高“洞察時(shí)間”。更快的洞察時(shí)間使用戶能夠快速查找和修復(fù)復(fù)雜電子系統(tǒng)中的缺陷，從而顯著縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

審核編輯：湯梓紅