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高电压和高dv/dt环境下电压传感器的抗噪声能力

作者: 浮思特科技2024-06-11 14:26:59

  高电压SiC MOSFET(>3 kV)的快速开关速度、高阻断电压和低导通电阻(Ron)为电压转换器实现了新的应用,从而带来了开关频率扩展、效率提高和损耗降低等优势。但在设计电压传感器时需要面对一些挑战,这些挑战与绝缘要求严格以及与10 kV SiC MOSFET相关的更高dv/dt(50-100 V/ns)有关。有多种方法可以测量中压功率电压,其中一些方法包括霍尔效应传感器、电容分压器、电阻分压器和电阻-电容梯形网络。在理想条件下,我们可以在电阻分压器中找到无限的带宽。在实际情况下,为了限制预计会引起RC时间常数延迟的带宽,需要对输出进行滤波。

  传感器设计

  电源由两个隔离的栅极驱动器构成,每个驱动器为半桥,由10 kV SiC MOSFET组成,并与6.8 uF子模块的电容结合形成MMC子模块。

电压传感器

表1:电压传感器设计要求

每个子模块的标称电压为6.25 kV。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。

电压传感器

图1:测试装置的电路图

图3展示了电压传感器设计的大致情况。该设计面临的各种挑战包括信号保真度、隔离设计和紧凑性。图1显示了电压传感器的电路图和测试设置。

  提高抗噪声能力

  通过检查和处理两个步骤来提高抗噪声能力: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包括模数转换器、传感器和高电压dv/dt引起的地弹或电磁干扰(EMI)生产。为了传输来自电阻分压器的模拟信号,选择了基于Sigma-Delta的电压到频率转换器,以便通过光纤将其数字化传输。使用MMC相支腿验证电压传感器的接地情况。图2显示了电压传感器的示意图。

电压传感器

图2:测试装置

  接地验证

  在测试过程中,传感器与半桥子模块的高dv/dt点连接。最终的MMC和子模块将经历相同的dv/dt。来自VFC的连续高输出需要具有0V的值。

  测试设置

  使用较低电压的设置来测试和调试电压传感器,并通过将电阻分压器视为理想状态且存在于电路外进行测试。已观察到,除非在高电压环境中测试电压传感器,否则没有噪声问题。使用一个子模块作为半桥来测试电压传感器,并使用175 mH的电感作为负载。选择10 kHz的开关频率和300 Hz的基频用于此目的。

  结果

  本节将重点介绍上述所有改进和进展。表2描述了R1a、R1b、R2和Cfoll的数值,也在图1中展示。通过增加SNR比来提高抗噪声能力,这通过减少输入电压实现。这会导致功率损耗增加,但允许对分压器进行准确测量。

电压传感器

表2:R1A、R1B、R2和CFERL的数值

Cfoll的值也增加以减少带宽。这提高了抗噪声能力,但由于电容增加意味着RC时间增加,因此引入了延迟。布局和屏蔽也得到了改进,以提高信号完整性并减少传输线中的噪声耦合。

电压传感器

图3:电压传感器

  结论

  本文分析了一些旨在提高噪声传感器性能的技术。电压传感器的主要误差源是电阻分压器。其原因是,在IPC-2221的存在下,需要在具有紧凑设计的情况下具有较大的绝缘距离,同时具有10kV电压的SiC器件的高dv/dt。为了提高电压传感器抗噪声能力,考虑了各种要点,如:增加SNR以减少带宽、更改高压电阻串的布局以及最终的屏蔽。使用了可重复生产且可靠的设计来测试抗噪声传感器。所有数据均来自可靠来源。

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