基于電場耦合原理的SiC MOSFET開關(guān)電壓感知探頭

摘 "要：功率器件作為電能變換的核心，準(zhǔn)確測量其開關(guān)電壓可以優(yōu)化器件的開關(guān)行為，評估器件的開關(guān)損耗，為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要指導(dǎo)。以SiC MOSFET為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件具有高速開關(guān)特性，傳統(tǒng)的商用電壓探頭難以同時(shí)滿足低侵?jǐn)_、強(qiáng)抗擾、高帶寬與小體積的測量要求。因此，本文提出了一種基于電場耦合原理的同軸圓柱型電壓探頭。該探頭通過感應(yīng)電極包圍引出端的結(jié)構(gòu)降低侵入電容，應(yīng)用屏蔽覆銅、過孔陣列與屏蔽銅管的強(qiáng)抗擾結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境噪聲的抑制。此外，本文利用有限元仿真指導(dǎo)了探頭參數(shù)選取的方案，驗(yàn)證了屏蔽層對噪聲的抑制能力，并從原理上詳細(xì)分析了同軸探頭有效降低侵入性的機(jī)理。所設(shè)計(jì)的同軸探頭帶寬為 280 MHz，量程為-750 V ～ +750 V，侵入電容約為0.92 pF。最后，通過雙脈沖實(shí)驗(yàn)證明同軸探頭可以準(zhǔn)確測量ns級的開關(guān)時(shí)間，滿足SiC MOSFET開關(guān)電壓的測量需求。

關(guān)鍵詞：電場耦合；SiC MOSFET；電壓測量；抗擾；侵入電容

DOI：10.15938/j.emc.（編輯填寫）

中圖分類號：TM46 " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：1007 -449X（2017）00-0000-00（編輯填寫）

SiC MOSFET switching voltage sensing probe based on electric field coupling principle

BAI Yue1， "KANG Jian-long1， "LIU Xin-yu1， "GENG Jia-yi2， "SHI Ya-fei1， "XIN Zhen1

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment， Hebei University of Technology，

Tianjin 300130， China; 2. City University of Hong Kong， Hong Kong 999077， China）

Abstract： Power devices are the core of electrical power conversion. Accurate measurement of device switching voltage can optimize switching behavior， evaluate switching loss， and provide important guidance for the design of power conversion systems. Wide bandgap semiconductor devices represented by SiC MOSFETs exhibit high-speed switching characteristics， and traditional commercial voltage probes are difficult to meet the measurement requirements of low interference， strong anti-interference， high bandwidth， and small volume simultaneously. Therefore， this paper proposes a coaxial cylindrical voltage probe based on the principle of electric field coupling. The probe reduces the intrusion capacitance by surrounding the lead end with sensing electrode， and achieves the suppression of ambient noise by applying the strong immunity structure of shielded copper cladding， via array and shielded copper tube. In addition， this paper uses finite element simulation to guide the scheme of probe parameter selection and verify the noise suppression ability of the shielding structure. Moreover， the mechanism by which coaxial probes effectively reduce invasiveness is analyzed in detail from a theoretical perspective. The designed coaxial probe has a bandwidth of 280 MHz， a range of -750 V ～ +750 V， and an intrusion capacitance of approximately 0.92 pF. Finally， the double-pulse test demonstrates that the coaxial probe can accurately measure the switching time at the ns level， meeting the measurement requirements of SiC MOSFET switching voltage.

Keywords： electric field coupling; SiC MOSFET; voltage measurement; anti- interference; intrusion capacitance

0 引 "言

開關(guān)電壓作為描述功率器件開關(guān)特性的關(guān)鍵信息之一，對其精確的感知不僅可以直觀的顯示器件的開關(guān)行為[1]，進(jìn)而為減少高頻振鈴對器件的負(fù)面影響提供指導(dǎo)[2]，還可以用于評估器件的開關(guān)損耗[3]，為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的器件選擇和熱設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵信息[4-5]。隨著以碳化硅（silicon carbide， SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）為代表的寬禁帶器件的廣泛應(yīng)用[6]，功率器件的開關(guān)過程可以在納秒內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)了更低的開關(guān)損耗與更高的功率密度[7]。然而，SiC器件在開關(guān)過程中伴隨著高dv/dt與di/dt[8]，不僅釋放了更強(qiáng)的電磁干擾，而且其開關(guān)性能對寄生參數(shù)更加敏感[9-10]。因此，用于功率器件開關(guān)電壓感知的電壓探頭需要具備低侵?jǐn)_、強(qiáng)抗擾、高帶寬與小體積等特性。

實(shí)驗(yàn)室中通常利用示波器電壓探頭獲取SiC器件的開關(guān)電壓波形，根據(jù)探頭測量原理可分為以下三種類型：無源探頭，高壓差分探頭與光隔離探頭[11]。無源探頭結(jié)構(gòu)簡單，通常用于獲得測量點(diǎn)的對地電壓。根據(jù)耐壓不同可分為高阻無源探頭與高壓單端探頭。高阻無源探頭價(jià)格便宜，帶寬可達(dá)1 GHz，但耐壓通常低于300 V[9]。高壓單端探頭具備高帶寬和千伏級耐壓的特點(diǎn)。然而，探頭的成本會(huì)隨之提升，體積也會(huì)相應(yīng)增加，限制了其在高功率密度電路中的應(yīng)用。高壓差分探頭可以實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)間電位的測量，具備更高的靈活性。其耐壓等級可達(dá)千伏，但帶寬通常較低，例如Tektronix公司的P5210A可以承受5600 V的高壓，帶寬僅為50 MHz[12]。光隔離探頭可以實(shí)現(xiàn)千伏級高共模電壓快速變化的情況下對數(shù)十伏級小信號的精確測量，并且具有高達(dá)GHz的帶寬。然而，高達(dá)幾十萬的價(jià)格難以滿足大多數(shù)用戶的成本需求[13]。

不同于傳統(tǒng)示波器電壓探頭的測量機(jī)制，電場耦合電壓探頭通過檢測變化的電場信號實(shí)現(xiàn)電壓測量，具有高帶寬與低侵入性能，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低[14]。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于多級電容并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電場探頭，利用PCB（printed circuit board）層間差分式電場感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了10 kV雷電沖擊電壓的測量。文獻(xiàn)[16]報(bào)道了一種同軸結(jié)構(gòu)的電場探頭，其尖端直徑僅為0.2 mm，實(shí)現(xiàn)了對GaN漏極電場的測量。文獻(xiàn)[17]將電場探頭應(yīng)用于射頻電壓信號感知，通過后期對探頭耦合信號的數(shù)字還原處理，實(shí)現(xiàn)了GHz的電壓信號的測量。文獻(xiàn)[18]對電場探頭的處理電路進(jìn)行改進(jìn)，將混合積分電路應(yīng)用于感應(yīng)信號的還原，提高了探頭測量低頻信號的能力。

由此可見，電場耦合電壓探頭的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)靈活，不僅可以實(shí)現(xiàn)千伏級電壓信號的測量，還可以通過對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)使其具有毫米級的體積，滿足狹窄空間下的測量需求。此外，通過對探頭處理電路中元件參數(shù)合理的選型，其測量電壓信號的頻率范圍可以覆蓋低頻到GHz。因此，將電場耦合電壓探頭應(yīng)用于SiC MOSFET開關(guān)電壓測量方面具有較大潛力。

本文首先闡述了電壓探頭在寬禁帶功率半導(dǎo)體時(shí)代面臨的挑戰(zhàn)，詳細(xì)分析了電壓探頭引入的寄生參數(shù)對SiC MOSFET開關(guān)過程的影響機(jī)理。其次，提出了一種基于電場耦合原理的同軸圓柱型電壓探頭。通過感應(yīng)電極包圍引出端的結(jié)構(gòu)極大的降低了探頭的侵入電容，探頭外部設(shè)置由屏蔽覆銅、過孔陣列與屏蔽銅管組成的屏蔽層可有效屏蔽環(huán)境中的噪聲電壓。此外，利用有限元仿真明確了探頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇方案，驗(yàn)證了屏蔽層的有效性。最后，通過雙脈沖實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的電場耦合電壓探頭可以滿足SiC MOSFET開關(guān)電壓的測量需求。

1 電壓探頭對開關(guān)性能的影響機(jī)

電壓探頭在測量過程中會(huì)不可避免的引入寄生參數(shù)，導(dǎo)致電壓過沖與振鈴，進(jìn)而影響器件的開

關(guān)性能，降低器件的暫態(tài)穩(wěn)定裕度。示波器電壓探

（1）

頭可以簡化為RLC元件組成的電路[19]，其對被測器件的侵入性如圖1所示。其中，Cgd、Cds與Cgs為SiC MOSFET的寄生電容，Cpr和Rpr分別為探頭的輸入電容和輸入電阻，Lpr為探頭接地引線引入的寄生電感。

當(dāng)連接至被測點(diǎn)時(shí)，探頭的輸入電容與輸入電阻并聯(lián)在器件兩端。通常探頭的輸入電阻Rpr為MΩ級別，遠(yuǎn)大于被測點(diǎn)的電阻。因此，Rpr對測量結(jié)果的影響可以近似忽略不計(jì)[20]。然而，探頭引入的Cpr會(huì)增加器件的容性負(fù)荷，降低器件的開關(guān)性能。在器件開關(guān)的過程中，其漏極電壓變化率dvds/dt可被式（1）表示[21]。

式（1）中VGG為驅(qū)動(dòng)電壓，Vmiller為米勒平臺(tái)電壓，Ls為器件漏極寄生電感，Rg為驅(qū)動(dòng)電阻，gfs為跨導(dǎo)，S為二極管的軟度因子，did/dt為電流變化率。可以看出，Cpr并聯(lián)在Cds兩端會(huì)降低器件開關(guān)過程中的電壓變化率，二者成負(fù)相關(guān)。此外，線路中存在的雜散電感Lo會(huì)與器件的輸出電容發(fā)生高頻諧振，導(dǎo)致開關(guān)電壓波形出現(xiàn)過沖與振鈴，而探頭引入的Cpr將進(jìn)一步加劇這一現(xiàn)象，如圖2所示。電壓震蕩的周期T可被表示為[22]

（2）

由式（2）可知，探頭的高輸入電容會(huì)增加信號震蕩的周期，加劇電磁干擾，影響器件的可靠性。

探頭的接地引線電感Lpr為影響器件開關(guān)性能的另一因素，其通過與探頭的輸入電容形成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，從而加劇測量信號的振蕩。同時(shí)，地線越長，引入的寄生電感越大，信號震蕩失真程度越明顯，如圖3所示。此外，過長地線的電感還會(huì)抑制器件輸入電容的充電電流，限制脈沖信號上升時(shí)間[1]。

由此可見，探頭引入的寄生參數(shù)會(huì)改變測量電路的阻抗，導(dǎo)致器件開關(guān)電壓波形畸變，影響器件開關(guān)性能的評估，甚至降低器件的可靠性。因此，為準(zhǔn)確測量SiC MOSFET的開關(guān)電壓波形，充分發(fā)揮器件的應(yīng)用潛能，亟需研制一款兼具低侵?jǐn)_、強(qiáng)抗擾、高帶寬與小體積等特性的電壓探頭。

2 電場耦合電壓探頭的設(shè)計(jì)

SiC MOSFET開關(guān)瞬態(tài)的漏源極電壓可以實(shí)現(xiàn)納秒內(nèi)千伏的轉(zhuǎn)換，空間電磁場變化劇烈。因此，通過檢測變化電場實(shí)現(xiàn)電壓測量的電場耦合探頭在SiC MOSFET開關(guān)電壓測量方面具有較大潛力。

電場耦合電壓探頭通常由感應(yīng)電極和接地平面組成[23]，其測量結(jié)構(gòu)如圖4所示。在測量過程中，探頭通過感應(yīng)電極與被測物體之間形成的耦合電容Cm來實(shí)現(xiàn)電壓的間接測量。當(dāng)被測物體表面電壓vi發(fā)生變化時(shí)，感應(yīng)電極上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化的電荷，并形成感應(yīng)電流im。該電流分為iR和ii分別流過探頭的接地電阻Ri和接地電容Ci，最終形成探頭的輸出電壓vo。

為了進(jìn)一步闡述電場耦合電壓探頭的測量原理，對圖4所示的簡化電路模型應(yīng)用基爾霍夫電流定律，則感應(yīng)電流im可以表示為

（3）

根據(jù)電流的定義，式（3）可以進(jìn)一步被表示為

（4）

因此，探頭的輸出電壓vo可以推導(dǎo)為

（5）

電場耦合電壓探頭的增益曲線如圖5中的曲線2所示。在測量過程中，通過改變探頭的截止角頻率ωo可以使其分別運(yùn)行在微分模式和自積分模式。根據(jù)式（5），探頭的截止角頻率可以被推導(dǎo)為

（6）

當(dāng)Ri為低阻抗時(shí)（ω lt; ωo），感應(yīng)電流主要流經(jīng)接地電阻Ri。因此，Ci可以被認(rèn)為是斷路，探頭的輸出電壓被表示為

（7）

此時(shí)，探頭運(yùn)行于微分模式，輸出電壓為測量電壓的導(dǎo)數(shù)形式，需要利用積分器對探頭輸出電壓進(jìn)行還原來獲得正比于測量電壓的信號。常用的積分器包括無源積分器[24]與有源積分器[18]。圖5（a）中的曲線3顯示了經(jīng)過無源積分器處理后探頭的實(shí)際增益，可以看出此時(shí)探頭的帶寬不僅受到原始截止角頻率ωo的限制，還會(huì)受到無源積分器截止角頻率ωi的限制。不同于無源積分器，有源積分器包含兩個(gè)截止角頻率，分別為上限截止角頻率ωj和下限截止角頻率ωk，如圖5（b）所示。頻率位于ωj和ωk之間的電壓信號將被積分還原，位于ωk之后的信號將由探頭自身的增益所決定。同時(shí)，使用有源積分電路時(shí)還需要在電路末端增加一個(gè)截止角頻率為ωt的高通濾波電路，以濾除積分器引入的直流增益。

相反的，當(dāng)Ri為高阻抗時(shí)（ω gt; ωo），流過接地電容Ci的電流通常遠(yuǎn)大于流過接地電阻Ri的電流。因此，Ri可以被認(rèn)為是斷路，式（7）被簡化為

（8）

此時(shí)，探頭運(yùn)行于自積分模式，其輸出電壓正比于被測電壓，無需使用額外的積分器進(jìn)行信號還原處理[12]。此外，探頭的帶寬下限僅受自身的截止角頻率ωo所決定，且理論上其帶寬沒有上限。

2.2 nbsp;同軸圓柱型電場耦合電壓探頭的設(shè)計(jì)

同軸結(jié)構(gòu)的電場耦合電壓探頭由頂部傳輸端、同軸耦合端和底部固定端三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1）同軸耦合端

用于信號感知的同軸耦合端的結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括外層銅管、外層絕緣介質(zhì)、內(nèi)層銅管、內(nèi)層絕緣介質(zhì)和Pogopin連接器五部分。Pogopin連接器作為被測信號引出端由連接在一起的底端和頂端兩部分組成，兩者均為圓柱結(jié)構(gòu)，且頂端圓柱半徑大于底端圓柱半徑。底端與被測物體直接相連以將待測電壓傳輸至頂端，使頂端具備與被測點(diǎn)相同的電位并產(chǎn)生高頻電場。內(nèi)層銅管用于感應(yīng)連接器頂端所產(chǎn)生的電場。外層銅管與參考地相連，使探頭具備對水平方向噪聲的屏蔽能力。內(nèi)層絕緣介質(zhì)與外層絕緣介質(zhì)用于保證連接器、內(nèi)層銅管與外層銅管之間的絕緣。絕緣介質(zhì)選用聚四氟乙烯（PTFE），其相對介電常數(shù)為2.1，擊穿場強(qiáng)大于12 kV/mm。

同軸耦合端的剖面圖如圖7（b）所示，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證內(nèi)、外層銅管與絕緣介質(zhì)之間均沒有空隙，避免實(shí)驗(yàn)過程中探頭結(jié)構(gòu)即耦合電容Cm發(fā)生變化，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果。圖中所示參數(shù)及取值在表1中顯示。

2）頂部傳輸端

頂部傳輸端由雙層PCB構(gòu)成，主要用于信號的傳輸，其頂層與底層的結(jié)構(gòu)如圖8所示，剖面圖如圖9所示。頂部傳輸端的底層包括內(nèi)層圓環(huán)和外層圓環(huán)兩部分，圓環(huán)表面均采用覆銅處理且不放置阻焊層，圓環(huán)之間通過PCB絕緣介質(zhì)FR4相隔。內(nèi)層圓環(huán)與同軸耦合端的內(nèi)層銅管連接，共同組成探頭的感應(yīng)電極，感應(yīng)Pogopin連接器頂端所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電場，并通過中間過孔傳輸至PCB的頂層。外層圓環(huán)與同軸耦合端的外層銅管連接，使頂部傳輸端具有參考地電位。

頂部傳輸端的頂層利用與中心過孔相連的MMCX連接器來實(shí)現(xiàn)探頭內(nèi)部電場耦合信號的向外傳輸，其余部分采用全面覆銅處理。此外，在邊緣布置交叉排列的過孔陣列結(jié)構(gòu)，將頂層的屏蔽覆銅與底層的外層圓環(huán)連接在一起，使其同時(shí)具備參考地電位以形成抗擾結(jié)構(gòu)，從而削弱外界干擾對同軸探頭內(nèi)部電場耦合的影響。

3）底部固定端

底部固定端由4層PCB構(gòu)成，用于支撐同軸耦合端，并屏蔽來自探頭下方和側(cè)方的干擾信號，其PCB層間分布如圖10所示。底部固定端設(shè)有兩個(gè)過孔，中心過孔用于放置Pogopin連接器，過孔的直徑需要大于連接器底端圓柱的直徑，小于連接器頂端圓柱的直徑，從而保證連接器可以固定在底部固定端正上方。側(cè)邊過孔為接地過孔，通過單排銅針與被測電路的參考地相連，從而將參考地電位引入底部固定端。

底部固定端的頂層邊緣為一個(gè)未設(shè)置阻焊層的覆銅圓環(huán)，該圓環(huán)與底部固定端的接地過孔和同軸耦合端的外層銅管同時(shí)連接。此外，圓環(huán)中設(shè)置有兩排交叉排列的過孔陣列，用于屏蔽側(cè)方水平方向噪聲。第二層設(shè)計(jì)為屏蔽層，通過過孔陣列與頂層的覆銅圓環(huán)相連，實(shí)現(xiàn)對下方垂直方向噪聲的抑制。第三層與底層設(shè)置為空層，用以增加屏蔽層與被測信號的距離。最后，在底層固定端下方增加一個(gè)絕緣的固定端子，如圖11所示。一方面，可以避免在測量過程中過孔陣列與被測電路的帶電導(dǎo)體發(fā)生觸碰，導(dǎo)致被測電路短路。另一方面，增加了干擾源與同軸耦合端內(nèi)層銅管的間距，進(jìn)一步提高了探頭的抗擾能力。

由圖11可知，底部固定端中第二層覆銅圓環(huán)的內(nèi)徑應(yīng)在保證探頭絕緣性能的前提下，盡量選取較小的值。利用ANSYS Q3D搭建同軸探頭的三維物理模型，在探頭正下方增加干擾源，改變圓環(huán)內(nèi)徑ls，通過仿真干擾源與內(nèi)層銅管之間形成的耦合電容來模擬干擾源對探頭內(nèi)部電場耦合的影響，進(jìn)而確定圓環(huán)內(nèi)徑的尺寸。仿真結(jié)果如圖12所示，當(dāng)ls的值低于2 mm時(shí)，干擾源與內(nèi)層銅管之間形成的耦合電容較小并且變化的趨勢較緩，說明干擾源對探頭內(nèi)部電場耦合的影響較小。當(dāng)ls超過2 mm時(shí)，耦合電容值大幅增加，探頭屏蔽噪聲信號的能力急劇下降。因此，本文選取圓環(huán)內(nèi)徑ls為2 mm。

2.3 "處理電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

感應(yīng)電極所耦合的信號通過傳輸線傳輸至處理電路，如圖13所示，其中Ccou為感應(yīng)電極與屏蔽層之間的耦合電容，Cc為傳輸線的寄生電容，Cs為焊接的電容，用于靈活調(diào)整因探頭制作誤差或電路寄生電容導(dǎo)致的增益差異，上述三者共同構(gòu)成了探頭的接地電容Ci。根據(jù)式（6），為確保被測電壓信號處于探頭自積分模式的范圍內(nèi)，并提高探頭檢測低頻信號的能力，選擇高阻值的電阻Ri以獲得較低的ωo。此外，為了保證信號還原效果不受電路中其他阻抗的影響，引入電壓跟隨器，并設(shè)置Rc為100 Ω，用于消除運(yùn)算放大器產(chǎn)生的噪聲信號。焊接電阻Ra和示波器的內(nèi)阻抗Rb均選擇為50 Ω，以達(dá)到阻抗匹配的效果。

此時(shí)，探頭的輸出電壓vo可以表示為

（9）

本文所設(shè)計(jì)的電場耦合電壓探頭的衰減倍數(shù)為300倍，低頻截止頻率設(shè)置為低于10 Hz。表2中列出了所選元件的規(guī)格。

3 同軸探頭的性能評估

3.1 "同軸探頭的量程及帶寬測量

探頭的量程與運(yùn)算放大器的耐壓和供電相關(guān)，本文選用的高帶寬運(yùn)放ADA4817具有5 V到10 V的寬供電范圍，當(dāng)運(yùn)放以±5 V供電時(shí)，所設(shè)計(jì)探頭量程為-750 V ～ +750 V。此外，探頭量程還可通過設(shè)計(jì)同軸耦合端的尺寸以調(diào)整耦合電容Cm來進(jìn)行改變，或通過改變接地電容Ci從而實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)整。

利用Maxwell有限元仿真軟件搭建探頭的三維模型，驗(yàn)證當(dāng)前最高量程750 V時(shí)探頭內(nèi)部場強(qiáng)是否滿足絕緣要求，仿真結(jié)果如圖14所示。從圖中可以看出當(dāng)前探頭內(nèi)部最高場強(qiáng)約為3.4364 kV/mm，其值遠(yuǎn)低于探頭選用的絕緣材料 PTFE（12 kV/mm）和FR4（30 kV/mm）的擊穿場強(qiáng)。因此，當(dāng)前的量程滿足探頭的絕緣條件。此外，可以適量增加同軸耦合端內(nèi)層絕緣介質(zhì)的厚度和底部固定端第二層圓環(huán)的內(nèi)徑來降低探頭的內(nèi)部場強(qiáng)，避免介質(zhì)擊穿。

為獲得同軸探頭的帶寬，設(shè)計(jì)了一個(gè)傳輸特性的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）、微帶線和電場探頭組成。實(shí)驗(yàn)所用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀包括Bode100和TTR503A，其測量帶寬范圍分別為1 Hz–50 MHz和100 kHz–3 GHz。測量系統(tǒng)的原理如圖15所示，微帶線的一端連接OUTPUT端口用于接收VNA發(fā)出的不同頻率的正弦電壓信號，另一端連接CH1將接收的信號反饋給VNA。同軸探頭的Pogopin連接器與微帶線的中心跡線相連，底部固定端中與接地過孔相連的單排銅針與微帶線的參考地相連。探頭的輸出經(jīng)處理電路連接至CH2，CH2與CH1的比值即為同軸探頭的傳輸特性。

如圖16所示，探頭的帶寬（-3 dB）為120 MHz，同時(shí)可以看出，探頭接地電容Ci與傳輸線寄生電感在高頻下的諧振會(huì)導(dǎo)致傳輸特性出現(xiàn)尖峰，設(shè)置阻尼電阻Rd可改善這一問題，如圖15虛線框所示。當(dāng)Rd較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)對諧振的阻尼不足而導(dǎo)致探頭的帶寬無法有效提高的情況。相反，當(dāng)Rd較大時(shí)，過度阻尼會(huì)使探頭的增益明顯下降。最后，當(dāng)Rd取值適度為120 Ω，同軸探頭的帶寬可以達(dá)到280 MHz。

3.2 "同軸探頭的抗擾性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證同軸探頭底部固定端第二層對外界環(huán)境中噪聲的抑制能力，利用有限元仿真軟件Maxwell模擬了強(qiáng)干擾環(huán)境下探頭內(nèi)部受干擾電場影響的情況。干擾源放置于探頭底部，干擾電壓設(shè)置為50 V至500 V，仿真包圍于內(nèi)層銅管0.1 mm曲線上的電場，仿真結(jié)果如圖17所示。

從圖中可以看出，相比于內(nèi)層銅管下方?jīng)]有屏蔽層的情況，具有屏蔽層的內(nèi)層銅管周邊干擾電場的幅值更低。此外，圖中兩曲線均出現(xiàn)了電場峰值，這是由于內(nèi)層銅管底部直接與干擾源耦合導(dǎo)致的，并且電場在峰值附近迅速下降，證明干擾源通過邊緣電場對內(nèi)層銅管的內(nèi)壁與外壁造成的影響較小，因此，減小內(nèi)層銅管與干擾源之間的正對面積是提高探頭抗擾性能的關(guān)鍵，同時(shí)也進(jìn)一步證明了底部固定端第二層的抗擾效果。

3.3 "同軸探頭的侵入性分析

SiC MOSFET具有高速開關(guān)的特性，其開關(guān)過程中伴隨的高dv/dt與di/dt會(huì)導(dǎo)致電路中雜散參數(shù)對開關(guān)電壓波形的負(fù)面影響變得更加明顯。因此，為準(zhǔn)確測量器件的開關(guān)電壓波形，探頭需要具備極低的侵入性，主要指具有極低的侵入電容。提取本文所設(shè)計(jì)的同軸探頭的電容參數(shù)，可得侵入電容拓?fù)淙鐖D18所示。

由上圖推導(dǎo)探頭所引入的侵入電容Ccin為

（10）

通常探頭被設(shè)計(jì)為高衰減倍數(shù)，由式（5）可知，Ci為Cm的數(shù)十倍以上。因此，式（10）可以簡化為

（11）

根據(jù)式（11），探頭的侵入電容主要由Cp和Cm組成。Cm通常與探頭設(shè)計(jì)的衰減倍數(shù)相關(guān)，難以大幅改動(dòng)，而Cp則可以通過對探頭結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)來進(jìn)行優(yōu)化。同軸探頭的剖面圖如圖19所示，從圖中可以看出同軸耦合端的內(nèi)層銅管與頂部傳輸端的內(nèi)層圓環(huán)連接在一起，共同包圍于Pogopin連接器的外側(cè)，減小了連接器與屏蔽層之間的直接耦合，達(dá)到削弱Cp的效果，進(jìn)而降低了探頭的侵入電容。

通過有限元仿真得到Cp的值為0.52 pF，結(jié)合表2計(jì)算探頭理論侵入電容值為0.89 pF，然后通過阻抗分析儀E4990A測量探頭實(shí)際侵入電容為0.92 pF，兩者基本相同，證明理論計(jì)算的正確性。

最后，利用阻抗分析儀E4990A對典型的示波器電壓探頭和自研同軸探頭的輸入阻抗進(jìn)行測量，所選用的電壓探頭參數(shù)如表3所示。圖20顯示了探頭輸入阻抗對比圖，從圖中可以看出，探頭的輸入電容越大，自身的輸入阻抗越低。自研同軸探頭具有較低的輸入電容，較高的輸入阻抗，因此，進(jìn)一步證明了自研探頭在測量過程中可以引入更低的寄生參數(shù)。

圖21展示了自研同軸探頭與商用示波器電壓探頭輸入電容和帶寬的對比。從圖中可以看出，自研同軸探頭的帶寬優(yōu)于大部分商用電壓探頭，同時(shí)，0.92 pF的輸入電容也遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的商用探頭。此外，自研同軸探頭的體積遠(yuǎn)小于商用探頭，在高功率密度的應(yīng)用中具有較大潛力。

3.4 "雙脈沖測試驗(yàn)證

雙脈沖測試作為評估功率器件動(dòng)態(tài)性能的重要方法，其測量結(jié)果可以量化器件開關(guān)性能，為轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。因此，為驗(yàn)證本文所提出同軸探頭的測量性能，搭建了用于SiC MOSFET開關(guān)電壓測量的雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖22所示。SiC MOSFET型號為CREE公司的C3M0075120K，柵極驅(qū)動(dòng)電阻為5 Ω，續(xù)流二極管型號為CREE公司的C4D20120D，電路負(fù)載電感為470 μH。

在測量SiC MOSFET漏源電壓時(shí)，需要將同軸探頭的Pogopin連接器與SiC MOSFET的漏極相連，底部固定端中與接地過孔相連的單排銅針與SiC MOSFET的源極相連。同軸探頭的感應(yīng)信號通過處理電路還原并在示波器上顯示。選擇Tektronix公司的高壓單端探頭TPP0850（帶寬800 MHz，侵入電容1.8 pF）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。

雙脈沖的測量結(jié)果如圖23所示，從圖中可以看出，TPP0850所測量的開關(guān)電壓波形為120 V/div，同軸探頭測量的開關(guān)波形為400 mV/div，證明所設(shè)計(jì)同軸探頭的實(shí)際衰減倍數(shù)與理論值完全相符。另外，在SiC MOSFET開通和關(guān)斷期間，同軸探頭與商用探頭TPP0850均測量到其電壓下降時(shí)間為16 ns，電壓上升時(shí)間為9 ns，電壓振震蕩周期最低為15 ns，測量電壓波形一致，驗(yàn)證了本文所提出的電壓探頭可以滿足SiC MOSFET開關(guān)電壓的測量需求。

4 結(jié)論

本文提出了一種同軸圓柱型的電場耦合電壓探頭，通過感應(yīng)電極包圍引出端的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了極低的侵入電容，并通過屏蔽層有效的提高了探頭對噪聲的抑制能力。文中闡述了探頭各部分的實(shí)現(xiàn)方式，通過搭建探頭的三維物理仿真模型給出了探頭參數(shù)選擇的方案，并驗(yàn)證了探頭的抗擾性能。此外，詳細(xì)分析了同軸探頭降低侵入性的機(jī)理，利用仿真與實(shí)驗(yàn)證明了所提出的電場耦合電壓探頭侵入電容遠(yuǎn)低于商用電壓探頭。所設(shè)計(jì)的探頭衰減倍數(shù)為300 倍，量程為-750 V ～ +750 V。通過有限元仿真驗(yàn)證了當(dāng)前量程滿足探頭的絕緣要求，并給出了提高探頭絕緣能力的方式。該探頭具備0.92 pF的侵入電容、280 MHz的帶寬與強(qiáng)抗擾的屏蔽結(jié)構(gòu)，使其適用于SiC MOSFET高速開關(guān)特性與線路密集電磁干擾強(qiáng)烈的場合。最后，搭建雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過與商用示波器電壓探頭TPP0850對比，證明了所提出的電場耦合電壓探頭可以實(shí)現(xiàn)SiC MOSFET開關(guān)電壓的準(zhǔn)確測量。

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（編輯：劉素菊）