电力电子应用如何选择合适探头？

引言

电力电子是现代电子设计中的一个重要应用。设计师和消费者都在为众多日常应用（例如平板电脑、手机、耳机以及汽车市场中的电动汽车开发）寻求更长的续航时间。

该技术主要涵盖四个关键类别：AC/DC整流器、DC/DC转换器、DC/AC逆变器和AC/AC转换器。工业应用多种多样，对分布式发电（DG）、微电网（MG）和智能电网（SG）系统等可持续能源发电行业至关重要。

功率转换技术

功率转换器将输入能量的属性值（如幅度、频率、相位）转化为期望输出的其他值。在现代工业中，对各种功率转换器的性能要求在容量、电压等级、效率和尺寸（与开关频率相关的问题）方面越来越严格。

为了提高现有功率转换器的性能，用宽禁带 (WBG) 开关器件代替传统的硅开关器件，氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMTs）和碳化硅（SIC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是目前最常用的宽禁带（WBG）半导体材料。宽禁带半导体材料具有比硅材料更优越的特性。

宽禁带半导体的优点使得GaN HEMT在低功率（<1 kW）到中功率（<10 kW）应用中得到了更多的采用，SiC MOSFET更适用于中功率（<10kW）到高功率（>10 kW）的应用。

目前，GaN HEMT的优点尚未得到充分利用，因为GaN和衬底之间的热阻较大，会导致自热问题，可能导致开关器件过热。然而，GaN HEMT可以提供更高的效率和开关速度，SiC MOSFET提供更高的电压、电流和温度特性。

使用宽禁带半导体开关器件的主要挑战是克服其高转换率带来的潜在问题，这可能会恶化电磁干扰（EMI）水平，并可能导致电压振荡和不稳定。

可以确定的是，随示波器一起交付的标准无源探头不适用于一般功率分析。这种应用需要一个更具体的解决方案，这个解决方案是根据您希望采用的探测技术以及要测试的功率器件类型来定义的。

下面是电力电子应用中常用的功率器件类型，了解您的产品中应用了哪些类型的功率器件，是选择正确的探测解决方案的第一步。力科拥有业界最全面的探头解决方案，您可以根据自己的应用选择合适的探头进行测试。

如何为特定测量需求选择正确的探头？

确定功率转换探测需要的最佳探头的一个简单方法是：首先，确定您是在进行功率器件研究还是系统开发。

其次，确定使用的功率器件的类型（硅或宽禁带半导体）。如果是硅，则确定电压；如果是宽禁带半导体，则确定使用的是SiC还是GaN。

Vds和Vgs的测量

探头的选择取决于：

半桥的上管还是下管的测量

电压范围

–汽车：48 V

–电源：>100 V

开关频率/上升时间

–SiC或GaN

半桥的上管–不参考地的电压

半桥的下管–相对于地的电压

负载–高电压

探头应用

当进行不同的功率分析应用时，探头可提供不同的测量精度。以下是针对不同应用推荐使用的力科探头。

01-测量下管Vgs信号

02-测量下管Vds信号

03-测量上管Vgs信号

04-测量上管Vds信号

测量设置

图中所示的设置包括WavePro 804HD示波器、T3AWG3352任意波形发生器、DL10-ISO光隔离探头、DL10-HCM高共模探头、CP30A电流探头和Infineon GaN半桥评估板。该板由具有单个 5 V 电源的 T3PS3000 电源（未显示）供电。

T3AWG3352提供一个PWM输入，电路板可以工作到2 MHz。使用DL10-ISO探头测量上管栅极，而使用DL10-HCM探头测量下管栅极。总线电压也由T3PS3000提供，但电压限制到40 V，输出电流波形由CP30A电流探头测量。

下图是用DL10-ISO捕获的高上管栅极和用DL10-HCM捕获的下管栅极。

力科高压光隔离探头

力科高压光隔离探头具有1GHz带宽、2500V差分输入范围和60 kV共模电压范围，非常适合GaN和SIC器件表征工程师和系统开发工程师。如图与力科12位高精度示波器（HDO）相结合，可以获得1.5%的系统精度，几乎是市场上替代解决方案的两倍。同时可提供丰富的连接方式，是GaN和SiC测试的理想探头。

力科高压光隔离探头主要特性：

带宽：350 MHz, 700 MHz 和1GHz

输入电压：2 V 到2500 V

共模电压：60 kV

160 dB CMRR

1.5% 的系统增益精度

上升时间：435ps

无需断开也可自动归零

灵活的连接方式

力科高压光隔离探头主要应用：

服务器、主板、照明和楼宇自动化、住宅逆变器、UPS、开关电源、家用和商用电器中的电机等

关于力科

力科（Teledyne Lecroy）是高端示波器、协议分析仪和其他测试仪器的领先制造商，可快速全面地验证电子系统的性能和合规性，并进行复杂的调试分析。

1964 年成立以来，公司一直专注于将强大的工具整合到创新产品中，以提高“洞察时间”。更快的洞察时间使用户能够快速查找和修复复杂电子系统中的缺陷，从而显著缩短产品的上市时间。

审核编辑：汤梓红