【導(dǎo)讀】現(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換設(shè)備一般會采用開關(guān)技術(shù),進行測量時需要特殊處理,包括使用差分探頭。這是因為,與之前采用模擬技術(shù)的設(shè)備不同,這類設(shè)備不借助變壓器來降低線電壓,而是使用整流后線電壓作為直流總線電源(圖 1)。這種拓撲結(jié)構(gòu)與接地和差分信號存在有趣的聯(lián)系。
現(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換設(shè)備一般會采用開關(guān)技術(shù),進行測量時需要特殊處理,包括使用差分探頭。這是因為,與之前采用模擬技術(shù)的設(shè)備不同,這類設(shè)備不借助變壓器來降低線電壓,而是使用整流后線電壓作為直流總線電源(圖 1)。這種拓撲結(jié)構(gòu)與接地和差分信號存在有趣的聯(lián)系。
圖 1:所示為開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的功能框圖,該電源轉(zhuǎn)換器用于對線電壓進行全波整流,以生成直流總線電壓。(圖片來源:Teledyne LeCroy)
在圖 1 的配置中,電路對交流線路進行全波整流。對于 120 Vrms 的交流線路,峰間電壓為 340 VAC。電容器的全波整流電壓為 170 VDC。對于 240 V 線路,這些值將翻倍。這個可用作開關(guān)模式穩(wěn)壓器的直流電源。
電源開關(guān)配置為半橋拓撲結(jié)構(gòu),上下開關(guān)交替連接到輸出端。穩(wěn)壓器(圖中未顯示)生成脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號,該信號通過驅(qū)動 MOSFET 的柵源電壓來調(diào)節(jié)輸出電壓。
為什么需要差分探頭
圖 1 中,有幾點需要注意。首先,電路中沒有任何點參考接地。輸入線路有火線和零線。零線在其源頭處參考接地,在到達用電設(shè)備之前可能有幾伏離地電壓。電源轉(zhuǎn)換器的電壓基本上是浮動電壓。嘗試借助采用普通無源探頭的示波器測量電壓時,需要在某處連接示波器地線。將地線連接到該電路的任何一點都可能導(dǎo)致問題。
要注意的第二點是,上部 MOSFET 電壓位于下部 MOSFET 的漏極電壓上。該電壓在零伏和直流總線電壓之間切換。這對接地的示波器測量提出了另一個問題。
這個測量問題的解決方案是使用差分探頭。
鑒于遇到的電壓最高可達 680 V,因此必須采用高壓差分探頭(圖 2)。
圖 2:所示為高壓差分探頭的功能框圖,該探頭不需要接地,因為它可以測量 + 和 – 探頭輸入端之間的電壓差。(圖片來源:Art Pini)
差分探頭可測量輸入端之間的電壓差。高壓差分探頭包括了衰減器并會在每個輸入端提供過載保護。典型衰減值在 50:1 至 2000:1 范圍內(nèi)。因此,高壓差分探頭的輸入電壓范圍為 1500 至 7000 V。
將受測設(shè)備建模成一個差分源,由兩個差分源、一個正分量 (VP) 和一個負分量 (VN) 以及一個共模分量 (VCOM) 組成。共模分量與 + 和 – 輸入共用。+ 輸入對應(yīng) VP + VCOM,– 輸入端對應(yīng) VCOM - VN。理想情況下,探頭會測量這些輸入電壓或 VP +VN 之間的差,從而消除 VCOM 項?,F(xiàn)實中的差分探頭會衰減掉共模電壓,但不會完全將其消除。差分探頭的共模抑制比 (CMMR)(即衰減掉的共模信號與其未衰減振幅的比率)單位為 dB,表示差分探頭的有效性。該品質(zhì)因數(shù)具有頻率相關(guān)性,通常隨著頻率的增加而下降。
如何使用差分探頭
讓我們來看看如何使用高壓差分探頭測量 120 V 輸入的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器(類似于圖 1 中那個)的上部柵源電壓。直流總線電壓約為 170 V。上部 MOSFET 的柵源電壓將取決于下部 MOSFET 的開關(guān)信號上,這是一個在 0 至 170 V 之間切換的 PWM 信號。該柵源電壓將為 4 至 12 V 的量級。
進行這種測量時,推薦使用 Teledyne LeCroy 的 HVD3106A-NOACC 高壓差分探頭。這款 120 MHz 帶寬探頭的額定電壓為 1000 V RMS。其差分額定電壓為 1500 V(直流加交流峰值),甚至可以與 240 V 交流電源轉(zhuǎn)換器完美匹配。該探頭具有 1500 V 的偏移范圍,可以輕松垂直展開測得的波形以查看細節(jié)。該探頭的 CMRR 在最高 60 Hz 時為 85 dB,在 1 MHz 時為 65 dB。這意味著 170 V 共模信號的衰減將優(yōu)于 65 dB。衰減后的共模信號的振幅約為 95 mV。由于柵源電壓為 4 至 12 V 的量級,因此共模干擾對測量的影響很小。
對于更高的電壓,例如與 1500 VDC 太陽能光伏 (PV) 逆變器測量相關(guān)的電壓,建議使用 HVD3206A 探頭。這款探頭的最大差分額定電壓為 2000 V(直流加峰值交流),并且具有與 HVD3106A-NOACC 探頭相同的帶寬和 CMRR。
最后,對于大型三相機器及其控制器,推薦使用 HVD3605A 高壓差分探頭,其最大電壓輸入為 7000 V(直流加交流峰值)。之所以能實現(xiàn)如此高的電壓范圍是由于該探頭中配有 200:1 或 2000:1 衰減器。該探頭的 CMRR 在 60 Hz 時為 85 dB,10 kHz 時為 70 dB,1 MHz 時為 64 dB,偏移范圍為 6000 V。
HVD3000A 系列探頭均具有 1% 或更高的增益精度,提供帶配件和不帶配件兩種版本,示波器線纜引線長度分別為 2.25 m 和 6 m(圖 3)。
圖 3:HVD3000A 系列提供的一些高壓差分探頭配置,提供帶配件和不帶配件版本以及長達 6 m 的示波器線纜。(圖片來源:Teledyne LeCroy)
配件包因型號而異,包括與不同電壓配套的夾子或小型抓具。
結(jié)語
在沒有接地參考且待測信號取決于另一個高壓信號的情況下,高壓差分探頭非常有用。針對這些情況,Teledyne LeCroy 推出了 HVD3000A 系列探頭。所有這些探頭都非常適合用于需要接地隔離的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的測量。它們完全集成到了 Teledyne LeCroy 示波器操作系統(tǒng)中,并自動感應(yīng)和標(biāo)定以實現(xiàn)精確測量。
(來源:中電網(wǎng),作者:Art Pini)
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