CN111693755A - 一种用于高压SiC MOSFET的电压检测电路 - Google Patents

一种用于高压SiC MOSFET的电压检测电路 Download PDF

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王来利
杨成子
李华清
刘星烁
于龙洋
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Abstract

本发明公开了一种用于高压SiC MOSFET的电压检测电路，包括串联支路及并联支路，其中，串联支路由N个第一电压检测电阻串联而成，并联支路由M个第二电压检测电阻并联而成，并联支路的一端与串联支路相连接，并联支路的另一端接地，该电路满足SiC MOSFET的电压测量，且成本较低。

Description

一种用于高压SiC MOSFET的电压检测电路
技术领域
本发明涉及一种电压检测电路，具体涉及一种用于高压SiC MOSFET 的电压检测电路。
背景技术
相较于传统的硅(Silicon,Si)基材料，碳化硅(Silicon Carbide,S iC)材料具有更宽的禁带宽度，更高的热传导率及更高的击穿场强。与同等硅基MOSFET器件相比，SiCMOSFET具有较高的工作电压、高温和高开关频率特性，这有利于进一步提高电力电子装备的性能。尽管由于现有制造工艺和成本的限制，目前商用SiC MOSFET的最大额定电压只能达到1.7kV。但在实验室的最高额定电压已达到10kV，电力半导体公司正在开发更大功率的商用高压SiC MOSFET，我国也在加快高压 SiC MOSFET的产业化布局。
在开关瞬态和振荡过程中，SiC MOSFET会因承受高电压而产生高带宽电压。直接测量时，测量探头的电压应至少大于被测SiC MOSFET 的额定电压。且测量传感电路的带宽越大，测量效果越好，为了保证精确测量，一般需要3-5倍的带宽。目前商用的电压测量探头有无源探头、差动探头和单端探头三种，这三类探头所能测量的的最高电压分别为 300V、6kV和20kV。在同一类型的电压探头当中，随着被测电压以及测量带宽的增大，探头的价格大幅升高。在同一带宽下无源探头价格最便宜，在同一耐压下单端探头价格最便宜，无源探头的最大带宽为1GHz，但此时探头只能承受300V的耐压。然而，差动探头具有浮动测量能力，这在某些高精度测量场合下是必要的。目前市场上没有符合足够带宽要求的探头去测量1.7kV的SiC MOSFET。在实验室测试3.3kV或10kV 的SiC MOSFET将更加困难。
综上，在SiC MOSFET高电压、大带宽的测量要求下，现有的电压探针不能完全满足测量需求，且成本昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于高压 SiC MOSFET的电压检测电路，该电路满足SiC MOSFET的电压测量，且成本较低。
为达到上述目的，本发明所述的用于高压SiC MOSFET的电压检测电路包括串联支路及并联支路，其中，串联支路由N个第一电压检测电阻串联而成，并联支路由M个第二电压检测电阻并联而成，并联支路的一端与串联支路相连接，并联支路的另一端接地。
各第一电压检测电阻及各第二电压检测电阻上均并联有分压器。
各第一电压检测电阻的阻值与各第二电压检测电阻的阻值相同。
与各第一电压检测电阻并联的分压器的电容值相同。
分压器为补偿电容器。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于高压SiC MOSFET的电压检测电路在具体操作时，串联支路由N个第一电压检测电阻串联而成，并联支路由M个第二电压检测电阻并联而成，并联支路的一端与串联支路相连接，并联支路的另一端接地，通过将N个串联的第一电压检测电阻和M个并联的第二电压检测电阻连接，以得到1+N×M倍的电压衰减，继而满足SiC MOSFET 的电压测量，成本较低。
进一步，各第一电压检测电阻上及各第二电压检测电阻上均并联有分压器，通过分压器对第一电压检测电阻及第二电压检测电阻进行补偿，以避免寄生参数对检测的影响。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的等效模型图；
图3为接入测量探头后的电压检测电路图；
图4为接入测量探头后的简化等效电路图；
图5为电压检测电路及其负载补偿图；
图6为图5的等效电路图；
图7为TO-247封装的SiC MOSFET的PCB设计图；
图8为双脉冲测试工作台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
第一电压检测电阻及第二电压检测电阻的电阻值均为R，寄生电容均为Cp，将N个串联的第一电压检测电阻和M个并联的第二电压检测电阻连接，得到1+N×M倍的电压衰减，如图1所示，本发明所述的用于高压SiC MOSFET的电压检测电路包括串联支路及并联支路，其中，串联支路由N个第一电压检测电阻串联而成，并联支路由M个第二电压检测电阻并联而成，并联支路的一端与串联支路相连接，并联支路的另一端接地，各第一电压检测电阻及各第二电压检测电阻上均并联有分压器。
N个串联的第一电压检测电阻RX和M个并联的第二电压检测电阻 RSY的简化等效模型如图2所示，其中，R1＝R/M，CP1＝M×CP，R2＝N×R， CP2＝CP/N。
由于选用的电阻和电容参数是一样的，故有R1×CP1＝R2×CP2，因此简化等效模型的传递函数可以写为：
Figure BDA0002502764590000041
其中，传函Gsv2(s)与频率无关，仅与常数N及M有关。
如图3所示，当低压测量探头连接到分压后的vsv点并接地时，在电压检测电路中会引入输入参数。
考虑输入参数和寄生参数，将带有探针负载的电压传感电路简化，其等效简化电路如图4所示，其中，RL和CL分别是探头负载输入电阻及电容，Ltot表示探针连接引起的总寄生电感，R和Cp分别为电压检测电路中所使用的贴片电阻和电容。
此时电路的传递函数可以表示为：
Figure BDA0002502764590000042
Figure BDA0002502764590000043
Figure BDA0002502764590000044
Z12＝RRLLtotCL,Z11＝RLtot,Z10＝RRL,Z23＝MRRLLtotCLCP,Z22＝M(RLLtotCL+RLtotCP),Z21＝MLtot+MCPRRL+RRLCL,Z20＝MRL+R。
将上式带入传递函数中，得：
Figure BDA0002502764590000051
由Gsv3可以看出，寄生参数将对检测带来很大影响，基于该问题，本发明提出了一种补偿的方案，如图5所示。
其等效电路如图6所示，其中，N+1个电容器并联分压器。CC1至 CCN的值均为CL，CCS的值为CL的M-1倍，以满足频率约束，但是与普通的RC分压器不同，建议的分压器使用小的补偿电容器，其值可以精确地预先设计，当连接输入电容为3.9pF的负载时，建议的电压检测电路仅在被测设备上引入小于0.5pF的电容，明显优于商用探头。
实施例一
本实施例的电压检测设计步骤为：
1)分压器器件参数及电压探头选取：第一电压检测电阻及第二电压检测电阻选择200kΩ，N选16，M选5，电容CP选200pF，探头采用泰克公司的无源探头TPP1000，输入电阻RL和电容CL分别为10MΩ和3. 9pF，引线电感Ltot选为10nH。
2)PCB板布局：高带宽分压电路对寄生参数敏感，PCB板图的设计应谨慎，尽量减少寄生效应，电压检测电阻和负载补偿电容器应尽可能短和宽的电线连接，以减少连接寄生电感，不建议使用过孔，因为过孔会引入寄生元件并降低电路性能。同时，由于高压应用中使用的是电压检测电路，元件的布置应充分考虑爬电距离和间隙，采用TO-247封装的SiCMOSFET的PCB设计如图7所示。
双脉冲测试工作台如图8所示，下桥臂SiC MOSFET作为被测器件，上桥臂SiCMOSFET作为自激二极管，选用带宽为1GHz的示波器。

Claims (5)

1.一种用于高压SiC MOSFET的电压检测电路，其特征在于，包括串联支路及并联支路，其中，串联支路由N个第一电压检测电阻串联而成，并联支路由M个第二电压检测电阻并联而成，并联支路的一端与串联支路相连接，并联支路的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的用于高压SiC MOSFET的电压检测电路，其特征在于，各第一电压检测电阻及各第二电压检测电阻上均并联有分压器。
3.根据权利要求1所述的用于高压SiC MOSFET的电压检测电路，其特征在于，各第一电压检测电阻的阻值与各第二电压检测电阻的阻值相同。
4.根据权利要求2所述的用于高压SiC MOSFET的电压检测电路，其特征在于，与各第一电压检测电阻并联的分压器的电容值相同。
5.根据权利要求2所述的用于高压SiC MOSFET的电压检测电路，其特征在于，分压器为补偿电容器。
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