高电压和高dv/dt中的电压传感器抗噪性

快速的开关速度、高阻断电压和较低的 R on用于电压转换器的高压 SiC MOSFET （》3 kV） 已经实现了新的应用，从而带来了诸如扩大开关频率水平、提高效率和降低损耗等优势。但是在设计电压传感器时要面临一些挑战，这些挑战与绝缘的严格要求以及与 10 kV SiC MOSFET  相关的更高 dv/dt （50-100 V/ns） 相关。有不同的方法可以测量中压电源的电压，其中一些是霍尔效应传感器、电容分压器、电阻分压器和电阻-电容梯。在理想条件下，我们可以在电阻分压器中找到无限带宽。

传感器设计

电源由两个隔离的栅极驱动器组成，每个驱动器为半桥，由 10 kV SiC MOSFET 组成，它们与 6.8 uF 子模块的电容组合形成 MMC 子模块。每个子模块的标称电压为 6.25 kV。表 1 总结了由转换器和 MMC 子模块确定的电压传感器设计要求。图 3 展示了一般的电压传感器设计。这种设计面临各种挑战，包括信号保真度、隔离设计和紧凑性。图 1 显示了电压传感器和测试装置的电路图。

表 1：电压传感器设计要求

图 1：测试装置的电路图

提高抗噪能力

通过检查和执行两个步骤来提高抗噪能力：噪声源和接地验证。

噪声源

在 PEC 中观察到的一些主要噪声源是模数转换器、传感器和导致接地反弹或 EMI 产生的高压 dv/dt 。对于来自电阻分压器的模拟信号的传输，选择了具有基于 sigma-delta 的电压到频率的转换器，以便它可以在光纤的帮助下将其传输数字化。MMC 相脚用于验证电压传感器的接地。图 2 显示了电压传感器的示意图。

图 2：电压传感器接地验证示意图

接地验证

在测试直流电压下，传感器连接到作为半桥子模块的高 dv/dt 点。类似的 dv/dt 将在最终的 MMC 中出现，并且子模块将暴露于其中。来自具有 0V 值的 VFC 的持续较高输出是必要的。

测试设置

使用较低电压设置来测试和调试电压传感器，这是通过将电阻分压器视为理想的并且存在于电路外来完成的。据观察，除非电压传感器在具有更高电压的环境中进行测试，否则不会出现关于噪声的问题。使用一个子模块作为半桥来测试电压传感器，并使用一个 175 mH 的电感器作为负载。为此目的选择了 10 kHz 的开关频率和 300 Hz 的基频。

结果

本节将重点介绍上面讨论过的所有改进和程序。表2描述了R 1 a、R 1 b、R 2和C foll 的值， 也显示在图1中。通过降低输入电压来提高 SNR 比来提高抗噪能力。这会导致功率损耗增加，但可以准确测量分压器。C的值也增加以减少带宽。这提高了抗噪性，但会导致延迟，因为增加的电容意味着增加的 RC 时间。布局和屏蔽也得到了改善，以确保信号完整性并减少传输线中的噪声耦合。

表 2：R1a、R1b、R2 和 Cfoll 的值

结论

本文分析了一些旨在改进噪声传感器的技术。电压传感器的主要误差来源是电阻分压器。其背后的原因是，在存在 IPC-2221 的情况下，这需要很大的绝缘距离，同时具有紧凑的设计以及具有 10kV 电压的 SiC 器件的高 dv/dt。为了提高电压传感器的噪声抗扰度，人们考虑了各种不同的点，例如：增加 SNR 以减少 BW，改变高压电阻串的布局，最后进行屏蔽。具有可复制能力且可靠的设计已用于测试噪声免疫传感器。所有数据均来自真实来源。

审核编辑：郭婷