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高带宽差分电压探头:模型、设计与评测

王宇雷  曾正  孙鹏  王亮  
【摘要】:SiC和GaN等宽禁带功率器件的开关速度非常快,可以提升功率器件的开关频率及电气装备的功率密度。然而,其开关速度已逼近测量仪器的探测极限,难以准确表征功率器件的开关特性。商业化高性能测试仪器,存在经济性差、透明度低、定制化难等问题,成为制约宽禁带器件大规模应用的一大关键技术难题。高速、高频、高压开关信号具有波的传播特征,无法采用现有集总参数模型与分析方法。此外,差分电压探头面临带宽约束机制不明、高频设计模型缺乏、测试表征方法匮乏等基础问题,给高性能电压探头的设计、研发和应用,带来了严峻挑战,亟待技术突破。基于高频传输线理论,文中揭示差分电压探头的结构-带宽机制,提出基于平行板传输线的高带宽分压器新结构,建立宽频范围适用的分压电路模型,分析分压器尺寸对探头带宽的影响规律,并给出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,可突破差分探头的带宽极限到500MHz,为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。

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