不同电压探头的测量比较详细说明

建立的探头模型和对暂态电压精确测量实验分析

1、实验平台

本文搭建了基于SiC MOSFET C3MO075120K的双脉冲测试平台，以验证所建立的探头模型和对暂态电压精确测量所做的分析，实验平台如图11所示。表2列出实验平台的主要设备及其规格，表3列出用于测试的典型示波器电压探头参数，其中光隔离探头TIVH08由于接口兼容问题只能接入到现有低带宽示波器MDO3014。图12～图15为实验结果。

2、实验结果

图12比较了有源差分探头DP6150B和P5200A

表2.双脉冲测试平台的主要设备及其规格

表3.测试用示波器电压探头参数

注：“；”前后两值分别表示共模抑制比在直流和探头额定带宽时的值；斜杠“/”表示对应参数不存在或未在数据表中说明。

图12.有源差分探头DP6150B和P5200A测量VGS2所得波形比较

测量VGS2得到的暂态波形,此时的母线电压为50V。可见高带宽探头DP6150B的实测波形较好地保留了vcs2上升或下降过程中的短暂停滞现象，而该现象在低带宽探头P5200A的实测波形中并不明显，这说明高带宽使探头实测波形在较大程度上保留了原始信号的高频细节。因此，选择低带宽探头测量开关器件的驱动波形时，可能无法得到该器件准确的驱动特性，特别是当低带宽探头用在比较不同驱动器的驱动能力或比较不同开关器件的驱动特性的研究中时，可能无法得到准确的结论。

图13为用高阻无源探头P5050测量VDS2上升暂态波形在带有鳄鱼夹和外接引线、仅带有鳄鱼夹及仅带有接地弹簧的三组结果，可知三组暂态波形对应探头的地线电感依次减小，而其振荡程度也依次减弱，这说明探头前端寄生电感越小，其测量振荡情况的保真度越好。

图13.高阻无源探头P5050在不同的探头地线电感下测量VDS2所得的波形比较

VDS2的过冲幅度可用以估算功率回路的寄生电感，但当探头前端寄生电感增大时，测得的VDS2过冲幅度与真实值的偏差也将增大，这导致测得的VDS2过冲幅度不能正确反映电路实际寄生电感的大小。VDS2的极大值可用来确定开关器件安全工作的母线电压范围，探头前端寄生电感较大时，测得的VDS2极大值偏大，这将导致由此确定的工作电压范围较小，不能充分利用开关器件的性能。

图14与图15分别为光隔离探头TIVHO8和有源差分探头DP6150B在不同的母线电压下测量VGS1得到的波形。VGS1在图14与图15中的实测暂态波形与其在图6b中的仿真暂态波形具有一致的变化趋势，但实测暂态波形出现较为明显的振荡现象，一方面是因为实验电路的寄生电感较大;另一方面是因为探头本身具有一定的寄生电感，尤其是DP6150B。

（a）共模电压幅度约为100V

（b）共模电压幅度约为200V

（c）共模电压幅度约为300V

图14.不同共模电压下光隔离探头TIVH08测量VGS1所得波形

对比图14与图15可以发现，高共模抑制比探头TIVH08的实测波形在暂态过程结束后，始终钳制在反偏驱动电压（-3V左右）上；与之不同，低共模抑制比探头DP6150B的实测波形在暂态过程结束后,与反偏驱动电压值存在一定程度上的偏差，

（a）共模电压幅度约为100V

（b）共模电压幅度约为200V

（c）共模电压幅度约为300V

图15.不同共模电压下有源差分探头DP6150B测量VGS1所得波形

且偏差随着共模电压幅度增大而增大。这说明高共模抑制比和低共模电压能有效地减小探头测量结果的“共模误差”。

低共模抑制比探头不仅使VGS1的稳态波形产生测量偏差，也使其暂态过程扰动幅度产生一定程度的测量偏差。不能准确测量开关器件的实际串扰波形和串扰程度，则难以准确得到开关器件可靠工作时的电压、电流、温度等条件，进而当开关器件的工作条件不合适时，将有可能导致开关器件的误导通或驱动侧反向击穿。

3、结论

正确选择和使用电压探头对宽禁带电力电子器件高频暂态电压的精确测量至关重要。本文建立了几种典型示波器探头的电路分析模型，分析了电压探头的带宽/上升时间、寄生电感和共模抑制比等几个关键因素对探头测量结果的影响。

理论分析和实验结果表明，为精确测量宽禁带电力电子器件的高频暂态电压，应采取以下措施：

1）明确所测暂态电压的特点，并结合表1所列几类常用电压探头的特性，进而确定合适的探头进行测量。

2）根据开关器件输入/输出电容的大小和波形测量精度的需要，确定电压探头的输入电容和带宽/上升时间。

3）尽可能地减小电压探头前端的寄生电感,有效措施包括采用接地弹簧、缩短探头和探测点间非必要的接线等。

4）测量差分信号时，根据信号共模分量和差模分量之比，选择合适共模抑制比的差分探头，见表1，有源高压差分探头的共模抑制比在高频时通常较低，其不适用于测量具有低共模分量的差分信号，该类信号可由共模抑制比性能突出的光隔离探头测量。

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审核编辑：符乾江