高压差分示波器探头：有什么用
作者：Art Pini
现代电源转换设备一般会采用开关技术，进行测量时需要特殊处理，包括使用差分探头。这是因为，与之前采用模拟技术的设备不同，这类设备不借助变压器来降低线电压，而是使用整流后线电压作为直流总线电源（图 1）。这种拓扑结构与接地和差分信号存在有趣的联系。
图 1：所示为开关模式电源转换器的功能框图，该电源转换器用于对线电压进行全波整流，以生成直流总线电压。（图片来源：Teledyne LeCroy）
在图 1 的配置中，电路对交流线路进行全波整流。对于 120 Vrms 的交流线路，峰间电压为 340 VAC。电容器的全波整流电压为 170 VDC。对于 240 V 线路，这些值将翻倍。这个可用作开关模式稳压器的直流电源。
电源开关配置为半桥拓扑结构，上下开关交替连接到输出端。稳压器（图中未显示）生成脉冲宽度调制 (PWM) 信号，该信号通过驱动 MOSFET 的栅源电压来调节输出电压。
为什么需要差分探头
图 1 中，有几点需要注意。首先，电路中没有任何点参考接地。输入线路有火线和零线。零线在其源头处参考接地，在到达用电设备之前可能有几伏离地电压。电源转换器的电压基本上是浮动电压。尝试借助采用普通无源探头的示波器测量电压时，需要在某处连接示波器地线。将地线连接到该电路的任何一点都可能导致问题。
要注意的第二点是，上部 MOSFET 电压位于下部 MOSFET 的漏极电压上。该电压在零伏和直流总线电压之间切换。这对接地的示波器测量提出了另一个问题。
这个测量问题的解决方案是使用差分探头。
鉴于遇到的电压最高可达 680 V，因此必须采用高压差分探头（图 2）。
图 2：所示为高压差分探头的功能框图，该探头不需要接地，因为它可以测量 + 和 – 探头输入端之间的电压差。（图片来源：Art Pini）
差分探头可测量输入端之间的电压差。高压差分探头包括了衰减器并会在每个输入端提供过载保护。典型衰减值在 50:1 至 2000:1 范围内。因此，高压差分探头的输入电压范围为 1500 至 7000 V。
将受测设备建模成一个差分源，由两个差分源、一个正分量 (VP) 和一个负分量 (VN) 以及一个共模分量 (VCOM) 组成。共模分量与 + 和 – 输入共用。+ 输入对应 VP + VCOM，– 输入端对应 VCOM - VN。理想情况下，探头会测量这些输入电压或 VP +VN 之间的差，从而消除 VCOM 项。现实中的差分探头会衰减掉共模电压，但不会完全将其消除。差分探头的共模抑制比 (CMMR)（即衰减掉的共模信号与其未衰减振幅的比率）单位为 dB，表示差分探头的有效性。该品质因数具有频率相关性，通常随着频率的增加而下降。
如何使用差分探头
让我们来看看如何使用高压差分探头测量 120 V 输入的开关模式电源转换器（类似于图 1 中那个）的上部栅源电压。直流总线电压约为 170 V。上部 MOSFET 的栅源电压将取决于下部 MOSFET 的开关信号上，这是一个在 0 至 170 V 之间切换的 PWM 信号。该栅源电压将为 4 至 12 V 的量级。
进行这种测量时，推荐使用 Teledyne LeCroy 的 HVD3106A-NOACC 高压差分探头。这款 120 MHz 带宽探头的额定电压为 1000 V RMS。其差分额定电压为 1500 V（直流加交流峰值），甚至可以与 240 V 交流电源转换器完美匹配。该探头具有 1500 V 的偏移范围，可以轻松垂直展开测得的波形以查看细节。该探头的 CMRR 在最高 60 Hz 时为 85 dB，在 1 MHz 时为 65 dB。这意味着 170 V 共模信号的衰减将优于 65 dB。衰减后的共模信号的振幅约为 95 mV。由于栅源电压为 4 至 12 V 的量级，因此共模干扰对测量的影响很小。
对于更高的电压，例如与 1500 VDC 太阳能光伏 (PV) 逆变器测量相关的电压，建议使用 HVD3206A 探头。这款探头的最大差分额定电压为 2000 V（直流加峰值交流），并且具有与 HVD3106A-NOACC 探头相同的带宽和 CMRR。
最后，对于大型三相机器及其控制器，推荐使用 HVD3605A 高压差分探头，其最大电压输入为 7000 V（直流加交流峰值）。之所以能实现如此高的电压范围是由于该探头中配有 200:1 或 2000:1 衰减器。该探头的 CMRR 在 60 Hz 时为 85 dB，10 kHz 时为 70 dB，1 MHz 时为 64 dB，偏移范围为 6000 V。
HVD3000A 系列探头均具有 1% 或更高的增益精度，提供带配件和不带配件两种版本，示波器线缆引线长度分别为 2.25 m 和 6 m（图 3）。
图 3：HVD3000A 系列提供的一些高压差分探头配置，提供带配件和不带配件版本以及长达 6 m 的示波器线缆。（图片来源：Teledyne LeCroy）
配件包因型号而异，包括与不同电压配套的夹子或小型抓具。
结语
在没有接地参考且待测信号取决于另一个高压信号的情况下，高压差分探头非常有用。针对这些情况，Teledyne LeCroy 推出了 HVD3000A 系列探头。所有这些探头都非常适合用于需要接地隔离的开关模式电源转换器的测量。它们完全集成到了 Teledyne LeCroy 示波器操作系统中，并自动感应和标定以实现精确测量。
