【導讀】現代電源轉換設備一般會(huì )采用開(kāi)關(guān)技術(shù)，進(jìn)行測量時(shí)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)的設備不同，這類(lèi)設備不借助變壓器來(lái)降低線(xiàn)電壓，而是使用整流后線(xiàn)電壓作為直流總線(xiàn)電源（圖 1）。這種拓撲結構與接地和差分信號存在有趣的聯(lián)系。
現代電源轉換設備一般會(huì )采用開(kāi)關(guān)技術(shù)，進(jìn)行測量時(shí)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)的設備不同，這類(lèi)設備不借助變壓器來(lái)降低線(xiàn)電壓，而是使用整流后線(xiàn)電壓作為直流總線(xiàn)電源（圖 1）。這種拓撲結構與接地和差分信號存在有趣的聯(lián)系。
圖 1：所示為開(kāi)關(guān)模式電源轉換器的功能框圖，該電源轉換器用于對線(xiàn)電壓進(jìn)行全波整流，以生成直流總線(xiàn)電壓。（圖片來(lái)源：Teledyne LeCroy）
在圖 1 的配置中，電路對交流線(xiàn)路進(jìn)行全波整流。對于 120 Vrms 的交流線(xiàn)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(xiàn)路，這些值將翻倍。這個(gè)可用作開(kāi)關(guān)模式穩壓器的直流電源。
電源開(kāi)關(guān)配置為半橋拓撲結構，上下開(kāi)關(guān)交替連接到輸出端。穩壓器（圖中未顯示）生成脈沖寬度調制 (PWM) 信號，該信號通過(guò)驅動(dòng) MOSFET 的柵源電壓來(lái)調節輸出電壓。
為什么需要差分探頭
圖 1 中，有幾點(diǎn)需要注意。首先，電路中沒(méi)有任何點(diǎn)參考接地。輸入線(xiàn)路有火線(xiàn)和零線(xiàn)。零線(xiàn)在其源頭處參考接地，在到達用電設備之前可能有幾伏離地電壓。電源轉換器的電壓基本上是浮動(dòng)電壓。嘗試借助采用普通無(wú)源探頭的示波器測量電壓時(shí)，需要在某處連接示波器地線(xiàn)。將地線(xiàn)連接到該電路的任何一點(diǎn)都可能導致問(wèn)題。
要注意的第二點(diǎn)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(xiàn)電壓之間切換。這對接地的示波器測量提出了另一個(gè)問(wèn)題。
這個(gè)測量問(wèn)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(lái)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(huì )在每個(gè)輸入端提供過(guò)載保護。典型衰減值在 50:1 至 2000:1 范圍內。因此，高壓差分探頭的輸入電壓范圍為 1500 至 7000 V。
將受測設備建模成一個(gè)差分源，由兩個(gè)差分源、一個(gè)正分量 (VP) 和一個(gè)負分量 (VN) 以及一個(gè)共模分量 (VCOM) 組成。共模分量與 + 和 – 輸入共用。+ 輸入對應 VP + VCOM，– 輸入端對應 VCOM - VN。理想情況下，探頭會(huì )測量這些輸入電壓或 VP +VN 之間的差，從而消除 VCOM 項?，F實(shí)中的差分探頭會(huì )衰減掉共模電壓，但不會(huì )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)因數具有頻率相關(guān)性，通常隨著(zhù)頻率的增加而下降。
如何使用差分探頭
讓我們來(lái)看看如何使用高壓差分探頭測量 120 V 輸入的開(kāi)關(guān)模式電源轉換器（類(lèi)似于圖 1 中那個(gè)）的上部柵源電壓。直流總線(xiàn)電壓約為 170 V。上部 MOSFET 的柵源電壓將取決于下部 MOSFET 的開(kāi)關(guān)信號上，這是一個(gè)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(shí)，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(kāi)測得的波形以查看細節。該探頭的 CMRR 在最高 60 Hz 時(shí)為 85 dB，在 1 MHz 時(shí)為 65 dB。這意味著(zhù) 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(yáng)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(shí)現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(shí)為 85 dB，10 kHz 時(shí)為 70 dB，1 MHz 時(shí)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(xiàn)纜引線(xiàn)長(cháng)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(cháng)達 6 m 的示波器線(xiàn)纜。（圖片來(lái)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。
結語(yǔ)
在沒(méi)有接地參考且待測信號取決于另一個(gè)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(kāi)關(guān)模式電源轉換器的測量。它們完全集成到了 Teledyne LeCroy 示波器操作系統中，并自動(dòng)感應和標定以實(shí)現精確測量。
（來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：Art Pini）
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