聊一下开尔文接法在电力电子中的应用

大家好，今天我们来聊一下开尔文接法（Kelvin connection）在电力电子中的应用。“开尔文”这个名字，大家应该并不陌生，高中物理应该都需学过，开尔文（Kelvins）为热力学温标或称绝对温标，是国际单位制中的温度单位，符号为K。

开尔文温度和我们习惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15，即T=t+273.15（t是摄氏温度）。开尔文是以英国工程师和物理学家开尔文勋爵（威廉·汤姆森）名字定义的，让我们先瞻仰一下这位伟人的肖像。

今天我们要谈的开尔文接法和这个热力学温度单位没有关系，但是却和这位物理学家有关。故事源于威廉·汤姆森在1862年利用单臂电桥测量小电阻时，遇到的一些问题。他发现引线电阻和连接点处的接触电阻超过了被测电阻值，导致测量结果误差非常大。

然后，他发明了一种桥式电路测量方法，解决了该问题，此电路被称为汤姆孙电桥，后因他晋封为开尔文勋爵，故又称开尔文电桥。

开尔文电桥的测量原理如图2所示，其中R为待测电阻，Rl为测量线缆的电阻。首先通过一个激励电流源给待测电阻R通入一个恒定电流I1，然后再测量电阻R上的电压，根据欧姆定律就可以计算出待测电阻值。

该方法测量精度高的原因是因为测量回路是电压表，阻抗很高，回路电流I2基本为0。激励源电流I1基本没有任何分流的通过来待测电阻R，只要电流源和电压表足够精确，计算出的电阻值也是很准确的。



这种将测量回路和激励源回路分开的四线接法，也称为开尔文接法。为了体现这种接法的优势，让我们再看看平常我们使用的万用表测量电阻原理。

万用表内部一般会有一个电压源或电流源，当给待测电阻一个电流源时，测量电压就可以计算出电阻。相反，当给一个电压源时，测量电流也可以计算出待测电阻。图2为第一种方案，可以看出通过电压表和电流源计算出的电阻包含了线缆（表笔）电阻，这种接法就是两线式接法。

两线式接法适合测量欧姆级别以上的电阻，对于毫欧级电阻就无能为力了，因为表笔的电阻还有接触电阻都有可能超过待测电阻。

通过对比可知，开尔文接法测量电阻的精度要远高于我们常用的两线式测量方法，主要是因为开尔文接法将测量回路和激励源回路进行了解耦处理，消除了线缆电阻和接触电阻对待测电阻的影响。大家明白了开尔文接法后，让我们回到主题，看看开尔文接法在电力电子中有哪些应用？

1、高精度电流测量

电力电子应用中的电流测量方法有很多种，在这里我们主要说一下电阻采样法。通过电阻测量电流具有结构简单、易实现、成本低、高带宽的优点。一般来说，测量中小电流的称为电阻（阻值大，欧姆级别），测量大电流的电阻称为分流器（阻值小，毫欧级别）。

由于分流器电阻很小，因此PCB焊接，布线，都会影响电流的测量。对于常规的2引脚的分流器电阻需要通过PCB布线实现开尔文连接，如图3所示。

对于一些精度要求较高的应用，制造商提供了带有四个端子的分流器，在器件内实现开尔文连接，如图4所示，这样我们将两个端子的线引出即可。

2、功率半导体器件封装设计

我们所熟知的功率半导体器件IGBT或MOSFET都是三端口器件，门极（栅极）、集电极（漏极）和发射极（源极），然而实际的器件并不全是3个引脚的，有些器件会有4个引脚，多出来的那个引脚一般就是开尔文发射极（源极），也称为驱动发射极（源极）。

在这里我们以TO247封装为例，来聊一下是开尔文发射极（源极）的作用。图5为CREE新推出的两个SiC MOSFET器件，电压和电流等级都一样，封装有所不同。



两种器件封装的等效电路如图6所示，其中Ls1为mos内部芯片源极至外部引脚功率源极S的杂散电感，一般在10nH以内。

细心的小伙伴可能会发现在TO247-4封装的开尔文源极也有寄生电感啊，你为什么没有画出来？是的没错，这个电感确实是存在的，但这个电感对MOS的开关过程基本没什么影响，至于为什么后面会讲到。



让我们先看一下寄生电感Ls对TO247-3封装器件开关暂态的影响。SiC MOSFET开通和关断暂态漏极电流ID在寄生电感Ls上的感应电压方向如图7所示。

开通暂态，漏极电流ID会在杂散电感Ls1产生上正下负的瞬态电压；关断暂态，漏极电流ID在杂散电感会产生上负下正的瞬态电压。这两个瞬态电压VLs会减小真实的栅-源电压VGSint。

例如在开通过程中，如果栅极开通Vgon为15V，开通电流上升率为1A/ns，寄生电感Ls1为5nH，当忽略栅极电阻电压时，真实的栅-源电压VGSint只有10V。开关暂态Sic MOSFET芯片内部栅-源电压更详细的公式如下：



让我们再看看TO247-4封装的SiC MOSFET，见图8。虽然漏极电流还会在电感Ls1上产生电压，但该电压根本影响不到栅极驱动回路。

栅极电流虽然也会在开尔文源极的杂散电感Ls2产生电压，但是这个电流和漏极电流还不是一个数量级，而且栅极电流变化较快的时候，器件还没有开通，因此这个电感对栅极驱动影响很小，可以忽略。



通过对比两种封装的开关暂态可知，具有开尔文源极的器件开关速度会更快，损耗会更小，效率自然也会更高。

大家不要小看这么小的杂散电感，它带来的影响还是很大的。图9为ROHM公司采用两种不同封装但芯片一样的SiC MOSFET的开关损耗对比结果。可以看出具有开尔文端子的器件开关损耗有明显改善，而且电流越大时效果也会越明显。

看到这里大家应该都明白了，开尔文源极可以将驱动回路和功率回路有效解耦，这样功率侧电流的变化就不会影响到栅极驱动回路了，是不是和开尔文测量电流的原理有异曲同工之处？虽然具有开尔文端子的器件相比普通的封装效率更高，但也有缺点，例如由于关断速度快，尖峰自然也会更高一些，当发生短路时，器件的耐受能力也会更低一些，至于为什么大家可以去分析一下。

最后再给小伙伴们看个大家伙，加深一下对功率器件开尔文端子的认识，图10为ABB 4.5kV 1.2kA的IGBT模块，对外一共有9个端子，其中功率端子C和E各3个，是为了增大电流而设计的，辅助集电极端子c用于短路退饱和检测，门极g和开尔文辅助发射极e用来控制IGBT开通和关断。









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