隨著寬禁帶半導體器件的發展，電力電子器件的開關速度越來越快，工作電壓逐漸升高，致使電壓探頭的性能對電力電子器件暫態電壓測量結果的影響程度增大。北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院、清華大學電機系、德州農工大學電氣與計算機工程系的研究人員何杰、劉鈺山、畢大強、李曉，在2021年第2期《電工技術學報》上撰文，分析了幾種實驗室常用的示波器電壓探頭的測量原理，根據電壓探頭的電路分析模型，研究探頭的帶寬/上升時間、寄生電感和共模抑制比等幾個關鍵因素對高頻暫態電壓測量結果的影響。最后搭建實驗平臺，驗證了該理論分析的有效性。

 

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件為代表的寬禁帶半導體器件具有更高的擊穿電壓、開關速度和溫度容限，在電力電子系統中的優勢日益凸顯。依據SiC/GaN器件開關特性展開的研究有很多，如器件建模、驅動器改進、串擾抑制等，然而隨著開關速度的提高，SiC/GaN器件在研究和應用過程中逐漸顯現出其暫態電壓難以精確測量的問題，這很可能導致相關研究結論存在一定偏差。

 

探頭作為測量系統的重要組成部分，直接與被測電路相連，因此正確選擇和使用電壓探頭對電壓信號精確測量至關重要。相比于傳統硅器件，SiC/GaN器件的暫態時間更短，電壓探頭的性能對SiC/GaN器件暫態電壓測量結果的影響程度更大，目前國內外對電壓探頭研究的重視度不足。

 

北航等院校科研人員在進行雙脈沖測試實驗時，發現上管驅動側電壓的實測波形與理論不符，深入分析和研究表明，是所用探頭的共模抑制比較低所致。對于電壓探頭在測量高頻暫態電壓時出現的一些問題，如探頭和示波器不匹配、多通道信號顯示不同步、探頭帶寬選擇錯誤等，現有研究的分析尚不充分。

 

極少數主流的探頭廠商會給出應用手冊予以說明，但是這些手冊缺乏對探頭電路原理的分析，致使使用者對問題出現的原因不能充分理解。而相關研究重點關注的是目標信號的整體開關波形或變化幅度而非局部暫態波形。

 

 

電壓探頭會顯著影響SiC器件高頻暫態電壓測量的精確性，正確選擇和使用電壓探頭對寬禁帶電力電子器件高頻暫態電壓的精確測量至關重要。北航等院校的科研人員針對這一現象進行了深入分析：首先說明了電壓探頭的種類及其主要性能指標，建立了幾種典型示波器探頭的電路模型；其次定性和定量分析了電壓探頭的帶寬/上升時間、寄生電感和共模抑制比等幾個關鍵因素對探頭測量結果的影響；最后通過實驗測試驗證了有關分析。

 

 

理論分析和實驗結果表明，為精確測量寬禁帶電力電子器件的高頻暫態電壓，應采取以下措施：

 

1）明確所測暫態電壓的特點，并結合常用電壓探頭的特性，進而確定合適的探頭進行測量。

 

2）根據開關器件輸入/輸出電容的大小和波形測量精度的需要，確定電壓探頭的輸入電容和帶寬/上升時間。

 

3）盡可能地減小電壓探頭前端的寄生電感，有效措施包括采用接地彈簧、縮短探頭和探測點間非必要的接線等。

 

4）測量差分信號時，根據信號共模分量和差模分量之比，選擇合適共模抑制比的差分探頭。有源高壓差分探頭的共模抑制比在高頻時通常較低，其不適用于測量具有低共模分量的差分信號，該類信號可由共模抑制比性能突出的光隔離探頭測量。

 

以上研究成果發表在2021年第2期《電工技術學報》，論文標題為“電壓探頭對寬禁帶器件高頻暫態電壓精確測量的影響”，作者為何杰、劉鈺山、畢大強、李曉。