如何精确测量宽禁带电力电子器件的高频暂态电压？北航等院校学者发布研究成果

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随着宽禁带半导体器件的发展，电力电子器件的开关速度越来越快，工作电压逐渐升高，致使电压探头的性能对电力电子器件暂态电压测量结果的影响程度增大。北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院、电力系统国家重点实验室（清华大学电机系）、德州农工大学电气与计算机工程系的研究人员何杰、刘钰山、毕大强、李晓，在2021年第2期《电工技术学报》上撰文，分析了几种实验室常用的示波器电压探头的测量原理，根据电压探头的电路分析模型，研究探头的带宽/上升时间、寄生电感和共模抑制比等几个关键因素对高频暂态电压测量结果的影响。最后搭建实验平台，验证了该理论分析的有效性。

以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件为代表的宽禁带半导体器件具有更高的击穿电压、开关速度和温度容限，在电力电子系统中的优势日益凸显。依据SiC/GaN器件开关特性展开的研究有很多，如器件建模、驱动器改进、串扰抑制等，然而随着开关速度的提高，SiC/GaN器件在研究和应用过程中逐渐显现出其暂态电压难以精确测量的问题，这很可能导致相关研究结论存在一定偏差。

探头作为测量系统的重要组成部分，直接与被测电路相连，因此正确选择和使用电压探头对电压信号精确测量至关重要。相比于传统硅器件，SiC/GaN器件的暂态时间更短，电压探头的性能对SiC/GaN器件暂态电压测量结果的影响程度更大，目前国内外对电压探头研究的重视度不足。

北航等院校科研人员在进行双脉冲测试实验时，发现上管驱动侧电压的实测波形与理论不符，深入分析和研究表明，是所用探头的共模抑制比较低所致。对于电压探头在测量高频暂态电压时出现的一些问题，如探头和示波器不匹配、多通道信号显示不同步、探头带宽选择错误等，现有研究的分析尚不充分。

极少数主流的探头厂商会给出应用手册予以说明，但是这些手册缺乏对探头电路原理的分析，致使使用者对问题出现的原因不能充分理解。而相关研究重点关注的是目标信号的整体开关波形或变化幅度而非局部暂态波形。

图1  典型示波器电压探头

电压探头会显著影响SiC器件高频暂态电压测量的精确性，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。北航等院校的科研人员针对这一现象进行了深入分析：首先说明了电压探头的种类及其主要性能指标，建立了几种典型示波器探头的电路模型；其次定性和定量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；最后通过实验测试验证了有关分析。

图2  双脉冲测试平台

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。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。

以上研究成果发表在2021年第2期《电工技术学报》，论文标题为“电压探头对宽禁带器件高频暂态电压精确测量的影响”，作者为何杰、刘钰山、毕大强、李晓。