2020年02月12日 | 关于IGBT开关特性对电压探头的要求解析

2020-02-12 来源：elecfans

作为电力电子领域工程师，经常需要使用数字示波器进行相关电气信号的测量。与示波器相匹配的探头种类也非常多，包括无源探头、有源探头、电流探头、光探头等。对于IGBT的开关情况而言，母线电压高，电压幅值大，随时间变化率快是其主要特点。那么这时要如何选择合适的电压探头呢？哪些参数是需要注意的呢？本文归结了主要的三点供大家参考。

最大电压限制

最大电压限制即电压探头所能测量的最大电压。超过的话不仅会损坏探头本身，还可能会导致IGBT损毁。这个数值一般会在电压探头上直接标出，如图1所示。最大电压限制有最大差模电压与最大共模电压的区分。差模电压即探头的正负测试点之间的电压，而共模电压指正和负测试点对地的电压。图1(a)中克列茨KEW 8309的探头共模最大电压是600，差模最大电压是600V; 图1(b)中Keysight N2791A探头差模和共模的最大电压都是7000V。当需要测量一个对地是7000V直流母线的系统时就要选择图1(b)的探头，因为图1(a)左边的对地电压只有600V。

关于IGBT开关特性对电压探头的要求解析

高压差分探头的最大电压标称

(a) 克列茨KEW 8309 (b) Keysight N2791A

量程精度

因为示波器只能处理低压信号，所以在高压测量中，探头需要将高压信号转化为低压信号。而衰减系数就是指探头输出信号对输入信号的比值。电压探头往往有很多衰减比可供选择，如1/10，1/20，1/50，1/100，1/1000等等，不同的衰减比对应不同的量程。选择的原则是在电压峰值允许范围内，能选1/10的就不要用1/100的。这主要是考虑精度的优化。比如当测量一个100V的电压时，若用1/100档则送入示波器的信号为1V。而若是用1/1000档则送入示波器的信号只有0.1V。后者经过示波器处理所显示出的数值准确度会比前者要差。对于IGBT开关特性测量而言，特别是门极信号的测量，一定要用衰减比小的那档（差分探头往往有两个或者两个以上的档位供选择）。

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高压差分探头衰减比

高压查分探头有轻微的直流偏置，做高精度的测试前需要消除掉，和示波器配合，做信号路径补偿以消除直流偏置。为了更精确的测量，示波器和探头至少预热30分钟，选择DC耦合、示波器偏置为0V，平均采样或者高分辨率采样模式以减少示波器噪声，使用探头附件调零，使得探头偏置为0V

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N2791A/N2891A探头偏置调零校准过程

探头测量带宽

探头的带宽是指导致探头响应输出幅度下降到70.7%(-3dB)的频率。探头的带宽或上升时间要等于最好优于被测信号的带宽。由于IGBT器件工作在开关状态，每一次的开关过程都伴随着快速变化的dv/dt。而信号的上升时间和对应的带宽的公式为BW=350/tr，其中BW的单位是MHz，tr是被测信号10%~90%的变化时间，单位是ns。比如说IGBT的母线电压是600V，dv/dt是3000V/us，那么这个VCE的上升时间tr就是160ns，理论上需要的带宽为2.2MHz。一般高压差分探头虽然标称100MHz，但其实是指在小电压值测量下可达到的最高带宽。当进行几百伏的电压测量时带宽是会变小的，如图3所示。当测到600V的电压时，探头实际的单宽能力其实只有2M都不到，无法准确地进行上诉例子的动态电压测量。所以，不仅要选择具有一定带宽的电压探头，还要考虑它在高压测量时的带宽衰减。无源单端探头的带宽往往比差分探头高不少，各个品牌型号的探头也千差万别，因此在测量IGBT开关特性，一定要根据被测的IGBT电压值以及dv/dt的最大值挑选带宽合适的电压探头。

关于IGBT开关特性对电压探头的要求解析

高压差分探头的电压带宽曲线

常用的高压差分探头

1)N2804 300MHz, ± 300V, 100:1, 4MΩ/4pF

2)N2805 200MHz, ± 100V, 50:1 , 4MΩ/4pF

3)N2790A 100MHz, ± 1.4kV, 50:1 or 100:1, 8MΩ/3.5pF

4)N2891A 70MHz, ± 7kV, 100:1 or 1000:1, 100MΩ/5pF

5)N2791A 25MHz, ± 700V, 10:1 or 100:1, 8MΩ/8pF

N7013A 极限温度延长套件, -40~+85°C

IGB T开关特性电压探头

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