[发明专利]一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头

说明书

本发明涉及一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头，属于电子器件领域。本发明建立了宽频范围适用的分压电路模型，分析了分压器尺寸对探头带宽的影响规律，并给出了一种最大化探头带宽的回路补偿方法。实验结果表明：多层陶瓷电容的等效串联电感，以及PCB平面耦合的传输线效应，是制约差分电压探头带宽的瓶颈问题，采用基于平行板传输线的高带宽分压结构、优化承压臂长度、高频回路补偿等新结构和新方法，可以突破差分探头的带宽极限到500MHz，为一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头和宽禁带器件的设计研发、测试表征、标准制定，提供有益的参考。

技术领域

本发明属于电子器件领域，涉及一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头。

背景技术

与Si IGBT相比，以碳化硅(Silicon carbide，SiC)MOSFET为代表的宽禁带器件，拥有更高的开关速度、更低的开关损耗，能有效提升电气装备的功率密度。相比于Si IGBT几微秒的开关时间，SiC MOSFET的开关时间通常为几十纳秒，GaN HEMT的开关时间甚至仅为几纳秒，对测量探头的性能提出了更高的要求。为了保证不小于98％的测量精度，通常要求探头的带宽是被测信号最大带宽的5倍以上，电压与电流探头带宽不应低于400MHz。然而，目前商业电压探头还不能完全满足测试要求。同时，随着宽禁带器件开关速度的不断提升，由探头性能不足引起的开关损耗测量误差可能超过100％，导致器件选型、热设计和寿命评估等环节产生严重偏差。因此，提升电压探头的性能，提高开关测量的精度，具有十分迫切的工业需求，以及非常重要的研究意义。

针对电压探头的性能提升，已有部分文献从拓扑优化、耦合机制和交互机理3个方面展开了一些研究。在拓扑优化方面，针对单端分压器，在分立电阻两端并联分立电容，可以为高频信号提供低阻抗路径，能够有效提升探头信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)和带宽。对于阻容分压器，计及回路寄生参数，通过优化PCB布局和外围电气结构，减小寄生参数影响，提升电压探头性能。采用同轴电阻的原理，制成的同轴阻容分压器，具有高带宽的潜力，但测试研发成本较分立元件更高。为了满足高压、高频等复杂电气场合的测量需求，基于浮地测量(差分型探头)和隔离测量(隔离型探头)原理的新拓扑也不断涌现。在耦合机制方面，采用电光效应、逆压电效应和电致发光效应等传感原理，对高压模拟信号进行光学调制，实现前后级的模拟隔离测量。此外，采用模数转换器(Analog-to-digitalconverter，ADC)将被测电压信号转换为数字信号，利用数字隔离芯片、数字光调制或无线技术，将数字信号传输至弱电侧，实现数字隔离测量。在交互机理方面，主要集中在探头对宽禁带器件暂态稳定的影响机制研究。通过对探头进行集总参数阻抗建模，考虑被测器件(Device under test,DUT)和电路阻抗，研究探头与DUT之间的相互作用机理和稳定性影响规律，可以给出最大化探头性能的测试方法和测试建议。综上，现有针对电压探头的性能优化研究，主要集中在集总参数表征、寄生参数优化和交互机理探索等方面。然而，对于电压探头带宽制约机理，考虑分布参数的宽带设计模型还鲜有报道，400MHz以上带宽的差分电压探头设计方法更是一片空白，亟待技术创新。

针对差分电压探头带宽约束机理不明、高频设计模型缺乏、测试表征方法匮乏等技术难题，本发明详细研究了一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头的理论模型和设计方法。本发明以包含差分电压探头的典型测量回路为参考，分析影响测量系统带宽的关键环节。基于传输线理论，揭示制约差分电压探头带宽进一步提升的根本原因，建立了宽频范围内适用的统一设计模型，提出了基于平行板传输线的高带宽分压器和差分电压探头，总结了高带宽差分探头的设计方法。采用基于边界元参数提取方法，验证模型可行性和有效性。最后，与当前常用的几款高性能商业电压探头对比，从频域和时域两个角度，验证模型和方法的正确性和适用性。本发明为一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头的设计与研究，提供了新的思路和方法。为高性能电压探头的设计研发、标准制定，以及宽禁带器件的测试与应用，提供有益参考。

一种多级微带传输线的高带宽差分电压探头的应用需求与研究现状

(1)性能需求