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处理共模电压影响

ZES ZIMMER Electronic Systems GmbH公司Bernd Neuner 2019-06-12

由宽带半导体产生的极端信号上升时间在开关频率及以上产生共模电压。如果没有采取适当的措施,仪器读数将显示与真实值的巨大偏差。我们将提出应对这一挑战的可能方法并讨论它们的相对优点。ZLs电子头条

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在寻求清洁和可持续的能源的同时,总是伴随着一场提高效率的竞争。清洁能源的生产需要与避免能源浪费同时进行。由于电动机和电动机驱动系统约占全球电力消耗的40%,因此改用变频驱动器具有巨大的节能潜力。半导体技术如SiC和GaN的进步可以构建更高效的变频器和逆变器,有助于缩小绿色生产与整体消耗之间的差距。ZLs电子头条

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不幸的是,效率的提高是由信号方面的缺点造成的:开关速度的提高会导致极陡的电压侧升和侧降,进而会导致严重的共模问题。本文将重点关注共模电压对精确测量功率和效率的影响。ZLs电子头条

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图1:PWM信号示例ZLs电子头条

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CMRR定义为差分增益与共模增益之比,以正分贝为单位。这个定义针对放大器的,但我们可以从更广泛的意义上重新定义CMRR,以了解仪器是如何处理共模影响。在仪器中,“增益”可以定义为应用于测量通道输入的振幅与屏幕上显示的结果之间的比值;它等于1。然而,因为这些放大器从一开始就从未接触过共模信号,所以仪器对共模影响的敏感性不是其运算放大器的CMRR的直接结果。相反,CMRR是模拟设计中各种不对称、不同路径长度、杂散电容等的结果。撇开根本原因不谈,我们将从市场上找到三种不同的方法来解决这个问题:ZLs电子头条

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方法#1:显而易见的方法是选择一种提供优良CMRR的仪器(例如功率分析仪或示波器)。在复杂性和可用性方面,这种选择与更复杂的解决方案相比具有明显的优势,并且也可以由经验不足的用户也可以轻松处理。但是,并非所有仪器制造商都指定了他们的CMRR,所以可能很难从一开始就获得选择合适型号所需的信息。正确阅读规范是非常重要的:在所需的操作点上的CMRR可能比在50 / 60Hz指定的CMRR要差得多。ZLs电子头条

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方法#2:使用人造星点测量三相系统。这种方法成本低且实现简单,它只需要在仪器和DUT之间增加一块硬件(基本上是三个电阻的组合)。不幸的是,当测量具有高du / dt值的信号时,它无法缓解共模问题,这可以通过监测星点电压来轻松证明。它偶尔也会被实施,可能源于相电压与开关脉冲影响的混淆。其实前者与共模问题无关。ZLs电子头条

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图2:星点浮动电压ZLs电子头条

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方法#3:使用高质量差分探头可以消除共模问题,只要指定的CMRR是足够的—同样的考虑因素已经列在关于CMRR在仪器中应用的段落中。成本影响是相当大的,并且需要通过寻找具有较差“内置”CMRR的低成本工具来节省预算。当然,在许多情况下,现有的用于非功率测量的探头可以重新用于工作—尽管这可能会在需要校准测量时产生冲突,如下所示。然而,添加探针会增加测量设置的复杂性。在计算测量结果的不确定性和校准系统时都需要考虑这一点。严格来说,系统应该作为一个整体进行校准,并且为了使结果保持有效,不得在其任何部分进行修改—探头需要在校准期间连接到它们所连接的通道。然而,在实践中很少出现这种情况。通常,所有组件分别进行校准,通常在不同时间甚至可能在不同的操作点进行校准。为了获得有效的结果,计算链条所有部分组合的正确测量不确定性成为一项艰苦的任务,需要付出艰苦的努力才能得到有效的结果。ZLs电子头条

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无论CMRR是在仪器本身或其测量附件中得到优化,都可以通过相对简单的测试来判断所采取措施的有效性。在第一步中,需要缩短仪器的电压输入,以消除任何电位差。为了避免漏电电流对地产生不必要的电感耦合,需要将用于此目的的导体回路的面积保持在最小。输入短路后,需要记下电压读数(U1)。它基本上显示了DC偏移和噪声的组合。接下来,需要将DUT的相位电压(例如逆变器)应用于一个输入。ZLs电子头条

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图3:CMRR测量设置ZLs电子头条

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从这一点开始,所述输入将随共模电压上下浮动。同样,需要记录所得到的电压读数(U2)。由这两个值可以很容易地计算出共模电压(UCM):ZLs电子头条

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通过U1 = 9mV和U2 = 21mV的典型值,得到: ZLs电子头条

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因此,在实际混合频率为180V的相位电压下,共模抑制可以计算为:ZLs电子头条

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获得的-80dB值适合具有陡峭边缘的实际PWM信号。在比较不同仪器的数据表时,发现即使在50/60Hz的良性正弦信号完全避免了峰值电压的情况下,许多模型也很难超过这个结果。使用GaN / SiC,CMRR对于功率分析变得比以往更重要。过于狭隘地关注成本优化将影响准确性。这取决于用户使用的核心仪器和外围设备。ZLs电子头条