高壓差分示波器探頭有何作用?

現(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換設(shè)備一般會采用開關(guān)技術(shù)，進(jìn)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?fù)浣Y(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(jìn)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(jìn)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?fù)浣Y(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(dá)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(dá) 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(hù)。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(fù)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。現(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(jìn)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(xì)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(jī)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(dá) 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)

審核編輯：湯梓紅