更好地管理高压应用中的电压传感器抗噪性

高压 SiC MOSFET (>3 kV) 为电压转换器提供了新的应用，因为它们具有快速的开关速度和更高的阻断电压 [1]。优点包括开关频率的扩展水平、效率提高以及由于传导而导致的损耗降低 [2]。除了这些好处之外，电压传感器的设计也存在一些挑战，因为绝缘和更高的 dv/dt (50-100 V/ns) 与 10 kV SiC MOSFET相关的要求引人注目且具有挑战性[3]、[4]、[5]。有多种选项可用于使用中压电源测量电压，这些选项包括霍尔效应传感器、电容分压器、电阻分压器和电阻-电容阶梯。在理想条件下，我们可以在电阻分压器中找到无限带宽。在实际场景中，需要一个用于输出的滤波器，以限制预计会导致 RC 时间常数延迟的带宽 [6]。关于这篇文章的更多信息可以在它的原始版本中找到。

传感器设计

电源由两个隔离的栅极驱动器组成，每个都是半桥，由 10 kV SiC MOSFET 组成，它们与 6.8 uF 子模块的电容组合形成 MMC 子模块。每个子模块中存在 6.25 kV 的标称电压 [7]。表 1 总结了由转换器和 MMC 子模块确定的电压传感器设计要求。图 3 展示了一般的电压传感器设计。这种设计存在各种挑战，包括信号保真度、隔离设计和紧凑性。图 1 显示了电压传感器和测试装置的电路图。

表 1：电压传感器设计要求

图 1：测试装置的电路图

提高抗噪能力

通过检查和执行两个步骤来提高抗噪性：噪声源和接地验证。

噪声源

在 PEC 中观察到的一些主要噪声源是模数转换器、传感器和导致地弹或 EMI 产生的高压 dv/dt [8]。为了从电阻分压器传输模拟信号，选择了具有基于 Sigma-Delta 的电压到频率的转换器，以便它可以在光纤的帮助下将其传输数字化。MMC 相脚用于验证电压传感器的接地。图 2 显示了电压传感器的示意图。

图2：电压传感器接地验证示意图

接地验证

在测试直流电压下，传感器连接到高 dv/dt 点，即半桥子模块。在最终的 MMC 中将经历类似的 dv/dt，并且子模块将接触到它。来自具有 0V 值的 VFC 的连续更高输出是必要的。

测试设置

较低的电压设置用于测试和调试电压传感器，这是通过将电阻分压器视为理想的并且存在于电路之外来完成的 [9]。已经观察到，除非在具有更高电压的环境中测试电压传感器，否则没有关于噪声的问题。使用一个子模块作为半桥来测试电压传感器，并使用一个 175 mH 的电感器作为负载。为此选择了 10 kHz 的开关频率和 300 Hz 的基频 [9]。

结果

本节将重点介绍上面讨论的所有改进和程序。表2描述了R 1 a、R 1 b、R 2和C foll 的值， 也显示在图1中。通过降低输入电压来提高 SNR 比，从而提高抗噪性。这会导致功率损耗增加，但允许精确测量分压器。C的值FOLL还增加以减少带宽。这提高了抗噪性，但会引起延迟，因为增加的电容意味着增加 RC 时间。还改进了布局和屏蔽以实现信号完整性并减少传输线中的噪声耦合 [9]。

表2：的值- [R 1一个，- [R 1个b，- [R 2，和Ç FOLL

图 3：电压传感器原型

结论

本文分析了一些旨在改进噪声传感器的技术。电压传感器误差的主要来源是电阻分压器。其背后的原因是，在 IPC-2221 存在的情况下，这需要很大的绝缘距离，同时具有紧凑的设计以及具有 10kV 电压的 SiC 器件的高 dv/dt。为了提高电压传感器的噪声抗扰度，已经考虑了多个方面，例如：提高 SNR 的文献，导致 BW 的降低，引入高压电阻器串布局的变化，最后进行屏蔽。具有可复制能力且可靠的设计已被用于测试噪声免疫传感器。所有数据均来自真实来源。

审核编辑：汤梓红