CN114295952B - 一种用于功率器件动态电压测量的非接触式电压测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于功率器件动态电压测量的非接触式电压测量方法，包括电压信号采集电路以及信号处理电路，电压信号采集电路为至少四层金属板结构的PCB板构成，PCB板的中间一层与功率器件在运行过程中产生动态电压信号的PCB印制电路板相连，当功率器件在开关过程中产生动态电压信号时，中间一层会同时产生功率器件开关过程中的动态电压，中间二层用于采集中间一层在功率器件开关过程中产生的动态电压，并传输至信号处理电路；中间一层与中间二层会产生耦合电容C2；PCB印制电路板顶层和底层采用全面覆铜接地处理。该方法利用PCB层间电场耦合原理实现功率器件动态电压的非接触式电压测量，为电路的优化设计、故障检测与实时监测提供重要的信息支撑。

Description

一种用于功率器件动态电压测量的非接触式电压测量方法

技术领域

本发明属于电压感知领域，具体是一种用于测量功率器件动态电压的非接触式电压测量方法。

背景技术

电压测量在电力电子系统中具有十分重要的地位，其测量的准确性对电力电子电路的故障诊断和可靠运行有着重要的作用。随着第三代功率半导体器件的兴起，其优异的特性为电力电子电路的简化及系统的小型化、高效化带来了可能，同时也对应用于电压测量的电压传感器提出了低侵扰、易集成的挑战。

目前，实验室中用于功率器件动态电压测量的电压传感器以示波器电压探头为主，示波器电压探头通过与被测电路建立直接的电气连接，在示波器中重现被测点的电压波形，因此在测量过程中，示波器电压探头会不可避免的引入寄生参数，对于高速变化的信号，低带宽高输入电容的探头将导致测量结果的上升时间变长，使得探头测量结果滞后于目前信号，出现信号延迟的现象。此外，探头引入的地线线路电感和接地环路电感，将与线路的电容在高频时形成谐振，产生信号过冲或振铃现象，影响实际测量结果。在测量高压信号时，示波器电压探头需增加耐高压元器件，使其物理尺寸增大，面对高密度应用场景时难以实现电压测量。

发明内容

本发明的目的是为针对当前应用于电力电子电路中功率器件电压测量电压传感器存在的不足，提出一种利用PCB层间电场耦合原理实现功率器件动态电压测量的非接触式电压测量方法，为电路的优化设计、故障检测与实时监测提供重要的信息支撑，从而保证系统的正常运行。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于功率器件动态电压测量的非接触式电压测量方法，包括电压信号采集电路以及信号处理电路，其特征在于，所述电压信号采集电路为至少四层金属板结构的PCB板构成，PCB板的中间一层与功率器件在运行过程中产生动态电压信号的PCB印制电路板相连，当功率器件在开关过程中产生动态电压信号时，中间一层会同时产生功率器件开关过程中的动态电压，与中间一层隔有绝缘介质的向下相邻金属板层定义为中间二层，中间二层用于采集中间一层在功率器件开关过程中产生的动态电压，并将采集到的动态电压传输至后续信号处理电路；中间一层与中间二层会产生耦合电容C2；PCB板的顶层和底层采用全面覆铜接地处理，在顶层与底层的边缘设置有排列紧密的通孔，通孔内覆铜。

所述PCB板的层数为大于四的偶数层，优选为4、6、8层，取任意中间两层做感应，所选取的两层中位于上部的为中间一层，位于下部的为中间二层，中间一层和中间二层的面积相同，顶层和底层的面积相同，且顶层的面积大于中间一层的面积，顶层、中间一层、中间二层和底层为连续设置的四层金属板，通孔位于顶层与底层的边缘，并且通孔不接触中间一层和中间二层，通孔沿顶层与底层的边缘呈多圈分布，相邻圈的通孔交错布置，通孔内覆铜，将底层和顶层连接在一起形成屏蔽腔，能够屏蔽侧方干扰，起到屏蔽作用。通过调节中间一层和中间二层的长宽来改变耦合面积，实现调节耦合电容C2的目的。所述耦合电容C2的大小通过仿真确定，中间一层与相邻金属板层之间的场强不能太大，通过选择不同层间距离的PCB板层作为中间二层，与功率器件的高速、高密电压相配合，保证中间一层具有合适的场强，避免PCB板介质层所选取的介电材料的击穿场强发生损坏。

优选地，所述PCB板包括四层金属板，自上而下依次是顶层、中间一层、中间二层和底层，四层之间均满足绝缘要求。

所述信号处理电路包括电压还原电路、电压跟随电路，电压还原电路包括电容C1和电阻R1，电容C1与电阻R1一端用于接收中间一层采集到的动态电压信号进行信号进行衰减还原处理，将衰减还原得到的电压信号传输至电压跟随电路的正向输入端，电容C1和电阻R1的另外一端接信号地；电压跟随电路具有电压跟随作用，可以将输入端接收到的C1、R1衰减还原得到的电压信号以相同电位输出至电压跟随电路的输出端，从输出端传输至示波器，进而在示波器中可以显示出功率器件在开关过程中产生的动态电压，并且电压跟随电路具有输入阻抗高输出阻抗低的特点，可以隔离前后级电路，消除后级电路参数对电压还原电路的影响。

所述电容C1为pF级别，电阻R1为500MΩ以上。本申请中PCB板层间耦合的前端满足高压高密度的场景中信号的采集，之后将采集到的信号传输到处理电路中，实现高压高密度的场景中动态电压的测量。本发明中的高压可以指工作电压不小于300V，优选600V-1.5KV，所述高密设置元器件紧凑排列，所述高速指电压变化速度快，本发明中对于高速变化的信号，相比于传统示波器电压探头的测量方式，会引入更低的信号延迟，实现瞬间响应。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用功率器件在开关过程中产生动态电压的变化，进而产生场强的动态变化，提出基于PCB层间电场耦合原理实现功率器件开关过程中动态电压测量的方法。在测量过程中，中间一层与后续处理电路不会与功率器件所在PCB印制电路板产生直接的电气连接，具有较低的侵入性，为实现功率器件动态电压的测量提供了一种新的思路，这种基于PCB层间电场耦合原理的电压测量方法可以适用于满足各种动态电压的测量需求，具有广泛的适用性。

2、由于功率器件一般在PCB印制电路板上运行，采用考虑屏蔽效果的至少4层PCB工艺制作与边缘通孔设计电场耦合传感器更易集成进入电力电子功率器件的电路板的电路中，并且集成进入印制电路板的传感器具备一定的抗扰性，能屏蔽周边干扰电场，减少测量结果出现的误差情况，满足未来电力电子集成化的需求。

3、本发明创造性地将电场耦合原理应用在电力电子领域针对功率器件的电压波形测量上，利用PCB层间的电场耦合实现电压测量，针对该应用领域，器件体积小、空间紧凑、且周边有较多干扰元件，需要在包含密集元器件的电路板上进行电压测量，不能简单地将整个PCB板作为整体进行感应，不能采用将被测物体和PCB板之间形成空间耦合的形式进行电压测量，明显区别于大型设备的电压测量。

4.本发明中PCB板中间一层和中间二层之间的距离固定，避免现有技术中需要将传感器放置在被测物体正下方，且传感器与被测物体间要保证毫米级的固定感应距离(如1mm、2mm等)，感应距离微弱的变化都会导致感应的信号出现变化，若摆放传感器的位置会导致测量到的结果出现变化，影响测量的准确性，因此现有技术中为了获得准确的感应距离实验在测量时需要复杂的校准装置，实验操作繁琐，测量不便。本申请中能够避免测量误差，减少人为误差，能精确保证感应距离，显著提高了测量的准确性。

附图说明

图1为示波器电压探头的结构示意图。

图2为PCB层间电场耦合电压传感器测量电路的结构示意图。

图3为PCB板的结构示意图。

图4为信号处理电路的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图为本发明进行说明，附图中给出了本发明中的首选实施例，但是本发明可以通过不同的样式实现，并不局限于本文所描述的实施例。

需要说明的是，当一个元件与另一个元件进行“连接”或一个电路与另一个电路进行“连接”时，它可以是直接连接到另一个元件或者电路并与之连为一体，或者可能同时存在居中元件。

图1为示波器电压探头的结构图，从图中可以看出示波器电压探头可以等效为电阻电容与电感，在测量过程中示波器电压探头与功率器件直接相连，电容与电阻会直接并联在功率器件两端，电感串联功率器件所在的电路上，电容的充放电过程会使信号的上升时间变长，使得探头测量结果滞后于目前信号，出现信号延迟的现象。此外，探头引入的地线线路电感和接地环路电感，将与线路的电容在高频时形成谐振，产生信号过冲或振铃现象，影响实际测量结果。在测量高压信号时，示波器探头需增加耐高压元器件，使其物理尺寸增大，面对高密度应用场景时难以测量。换言之，传统的示波器电压探头测量方法在高速电压信号、高功率密度的应用场景时难以准确测量电压波形。

因此，本发明提出一种利用PCB层间电场耦合原理的实现功率器件动态电压测量的非接触式电压测量方法，测量电路示意图如图2所示，包括电压采集电路和信号处理电路。

其中，电压采集电路用于采集功率器件在开关过程中产生的动态电压信号，信号电路处理用于对电场耦合端采集电压信号进行处理，得到与功率器件在开关过程中产生动态电压信号经衰减后的电压信号，并在示波器中显示。

电压信号采集电路作为电场耦合传感器，电场耦合传感器基于PCB四层印制电路板工艺，其中四层电路板结构包括四层金属板，自上而下依次是顶层、中间一层、中间二层和底层，在顶层与底层的周围附有一圈排列紧密的通孔，PCB四层印制电路板的结构如图3所示。电压采集电路采集功率器件动态电压的原理为：当功率器件在导通和关断过程中反复切换时，相应的与功率器件相连的PCB印制电路板上会出现影响变化的动态电压信号。中间一层与功率器件在运行过程中产生动态电压信号的PCB印制电路板相连，当功率器件在运行过程中产生动态电压信号时，由于中间一层与功率器件产生动态电压的PCB电路板相连，因此中间一层会同时产生功率器件开关过程中的动态电压，中间二层用于采集中间一层在功率器件开关过程中产生的动态电压，并将采集到的动态电压传输至后续处理电路。此外中间一层与中间二层会产生耦合电容C2。需要具体说明的是，中间一层与中间二层所产生的的耦合电容C2，并不是实际的电容元器件，为一种虚拟电容，在测量过程中中间二层及后续的处理电路并未与功率器件所在的PCB印制电路板产生直接的电气连接，因此具有较低的侵入性。顶层与底层采用全面覆铜接地处理，顶层与底层周边排列紧密的通孔，通孔内覆铜，避免周边其他电磁干扰信号对中间二层采集中间一层动态电压信号过程中的干扰，使得中间二层采集到的动态电压信号更加准确。

信号处理电路包括电压还原电路、电压跟随电路，具体结构如图4所示。电压还原电路包括电容C1和电阻R1，电容C1与电阻R1一端用于接收中间一层采集到的动态电压信号对信号进行衰减还原处理，将衰减还原得到的电压信号传输至电压跟随电路的正向输入端，电容C1与电阻R1的另外一端接信号地。电压跟随电路具有电压跟随作用，可以将输入端接收到的C1、R1衰减还原得到的电压信号以相同电位输出至电压跟随电路的输出端，从输出端传输至示波器，进而在示波器中可以显示出经衰减后功率器件在开关过程中产生的动态电压，并且电压跟随电路具有输入阻抗高输出阻抗低的特点，可以隔离前后级电路，消除后级电路参数对电压还原电路的影响。后级电路指电压跟随电路之后所直接连接或间接连接的器材及设备的参数，例：假设电压跟随电路后输出的信号经过一根线连接到示波器，则后级电路包括线和示波器的参数。

电压还原电路的还原原理为：电压采集电路中间一层与中间二层电场耦合产生的耦合电容C2与电压还原电路中的C1、R1部分的传递函数推导如下：

式中，U0为功率器件开关过程中产生的动态的电压，Ui为经信号处理电路处理后得到的电压信号，s是在频域中的计算专门的算子，电容在频域中表示为

从上述传递函数中可以看出，当满足R1*(C2+C1)＞＞1时，传递函数可以等效为：

从传递函数中可以推导，电压还原电路的截止频率为：

为满足低频电压信号的测量，电压还原电路的截止频率需要尽可能的小，C1为pF级别，R1为500MΩ以上。

此时实现了对功率器件开通和关断过程中产生动态电压衰减还原的测量。

本专利提出基于PCB层间电场耦合实现功率器件开关过程中动态电压的测量，为实现功率器件动态电压的测量提供了一种新的思路，这种基于PCB层间电场耦合原理的电压测量方法可以适用于满足各种动态电压的测量需求，具有广泛的适用性，满足低侵扰与易集成的要求。

本发明中PCB板尺寸较小，整体厚度0.4～2mm左右，整体面积小于1cm²，一般在电力电子功率器件的电路板上，都会有很多的元器件，这些元器件在工作运行的过程中也会产生变化电压，进而产生变化的电场(这个变化的电场实际上不仅仅来自与运行的元器件，还有可能来自周边连接的电缆、示波器、电源等等)，本申请结合功率器件的实际应用场景利用4层PCB的层间电场耦合进行电压测量，将功率器件的电压与PCB板的中间一层相连，因此可以将中间一层理解为被测物体，因为PCB板在制作过程中，层间的距离已经确定好了，因此利用中间二层作为传感器的感应层，可以使得测量间距确定，不需要在测量过程中进行多次校准。在PCB的顶层与底层覆铜接地，并且顶层与底层边缘包围有一圈覆铜通孔，可以屏蔽外界的电场干扰，避免PCB电路板中间二层感应到外界的电场，使得测量到电压信号更加真实，传感器与被测物体之间不再通过空气进行电场耦合，而通过PCB板中填充的固体绝缘介质(如Fr4等)进行耦合，避免了其他元器件在运行过程中产生变化的电场而同时通过空气耦合到传感器上导致的干扰，减少了周边元器件在运行过程中产生的电场干扰。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种用于功率器件动态电压测量的非接触式电压测量方法，包括电压信号采集电路以及信号处理电路，其特征在于，所述电压信号采集电路为至少四层金属板结构的PCB板构成，PCB板的中间一层与功率器件在运行过程中产生动态电压信号的PCB印制电路板相连，当功率器件在开关过程中产生动态电压信号时，中间一层会同时产生功率器件开关过程中的动态电压，与中间一层隔有绝缘介质的向下相邻金属板层定义为中间二层，中间二层用于采集中间一层在功率器件开关过程中产生的动态电压，并将采集到的动态电压传输至后续信号处理电路；中间一层与中间二层会产生耦合电容C2；PCB板的顶层和底层采用全面覆铜接地处理，顶层与底层边缘设置有排列紧密的通孔；

所述PCB板中电路板结构的层数为大于四的偶数层，取任意中间两层做感应，所选取的两层中位于上部的为中间一层，位于下部的为中间二层，中间一层和中间二层的面积相同，顶层和底层的面积相同，且顶层的面积大于中间一层的面积，顶层、中间一层、中间二层和底层为连续设置的四层金属板，通孔位于顶层与底层的边缘，并且通孔不接触中间一层和中间二层，通孔沿顶层与底层的边缘呈多圈分布，相邻圈的通孔交错布置，通孔内覆铜，将底层和顶层连接在一起形成屏蔽腔。

2.根据权利要求1所述的非接触式电压测量方法，其特征在于，所述PCB板中电路板结构的层数为6层或8层。

3.根据权利要求1所述的非接触式电压测量方法，其特征在于，通过调节中间一层和中间二层的长宽来改变耦合面积，实现调节耦合电容C2的目的；所述耦合电容C2的大小通过仿真确定。

4.根据权利要求1所述的非接触式电压测量方法，其特征在于，所述信号处理电路包括电压还原电路、电压跟随电路，电压还原电路包括电容C1和电阻R1，电容C1与电阻R1一端用于接收中间一层采集到的动态电压信号进行信号进行衰减还原处理，将衰减还原得到的电压信号传输至电压跟随电路的正向输入端，电容C1和电阻R1的另外一端接信号地；电压跟随电路具有电压跟随作用，将输入端接收到的C1、R1衰减还原得到的电压信号以相同电位输出至电压跟随电路的输出端，从输出端传输至示波器，进而在示波器中显示出功率器件在开关过程中产生的动态电压。

5.根据权利要求4所述的非接触式电压测量方法，其特征在于，所述电容C1为pF级别，电阻R1为500MΩ以上。

6.根据权利要求1所述的非接触式电压测量方法，其特征在于，所述PCB板的整体厚度0.4~2mm，PCB板中填充的固体绝缘介质。

7.根据权利要求6所述的非接触式电压测量方法，其特征在于，所述固体绝缘介质为Fr4。

8.根据权利要求1-7任一所述的非接触式电压测量方法，其特征在于，PCB板层间耦合的前端满足高压高密度的场景中信号的采集，之后将采集到的信号传输到处理电路中，实现高压高密度的场景中功率器件的动态电压的测量；所述高压指工作电压不小于300V，所述高密度为元器件紧凑排列。