大家好，今天我們來聊一下開爾文接法（Kelvin connection）在電力電子中的應(yīng)用?！伴_爾文”這個(gè)名字，大家應(yīng)該并不陌生，高中物理應(yīng)該都需學(xué)過，開爾文（Kelvins）為熱力學(xué)溫標(biāo)或稱絕對溫標(biāo)，是國際單位制中的溫度單位，符號為K。

開爾文溫度和我們習(xí)慣使用的攝氏溫度相差一個(gè)常數(shù)273.15，即T=t+273.15（t是攝氏溫度）。開爾文是以英國工程師和物理學(xué)家開爾文勛爵（威廉·湯姆森）名字定義的，讓我們先瞻仰一下這位偉人的肖像。

今天我們要談的開爾文接法和這個(gè)熱力學(xué)溫度單位沒有關(guān)系，但是卻和這位物理學(xué)家有關(guān)。故事源于威廉·湯姆森在1862年利用單臂電橋測量小電阻時(shí)，遇到的一些問題。他發(fā)現(xiàn)引線電阻和連接點(diǎn)處的接觸電阻超過了被測電阻值，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差非常大。

然后，他發(fā)明了一種橋式電路測量方法，解決了該問題，此電路被稱為湯姆孫電橋，后因他晉封為開爾文勛爵，故又稱開爾文電橋。

開爾文電橋的測量原理如圖2所示，其中R為待測電阻，Rl為測量線纜的電阻。首先通過一個(gè)激勵電流源給待測電阻R通入一個(gè)恒定電流I1，然后再測量電阻R上的電壓，根據(jù)歐姆定律就可以計(jì)算出待測電阻值。

該方法測量精度高的原因是因?yàn)闇y量回路是電壓表，阻抗很高，回路電流I2基本為0。激勵源電流I1基本沒有任何分流的通過來待測電阻R，只要電流源和電壓表足夠精確，計(jì)算出的電阻值也是很準(zhǔn)確的。



這種將測量回路和激勵源回路分開的四線接法，也稱為開爾文接法。為了體現(xiàn)這種接法的優(yōu)勢，讓我們再看看平常我們使用的萬用表測量電阻原理。

萬用表內(nèi)部一般會有一個(gè)電壓源或電流源，當(dāng)給待測電阻一個(gè)電流源時(shí)，測量電壓就可以計(jì)算出電阻。相反，當(dāng)給一個(gè)電壓源時(shí)，測量電流也可以計(jì)算出待測電阻。圖2為第一種方案，可以看出通過電壓表和電流源計(jì)算出的電阻包含了線纜（表筆）電阻，這種接法就是兩線式接法。

兩線式接法適合測量歐姆級別以上的電阻，對于毫歐級電阻就無能為力了，因?yàn)楸砉P的電阻還有接觸電阻都有可能超過待測電阻。

通過對比可知，開爾文接法測量電阻的精度要遠(yuǎn)高于我們常用的兩線式測量方法，主要是因?yàn)?strong>開爾文接法將測量回路和激勵源回路進(jìn)行了解耦處理，消除了線纜電阻和接觸電阻對待測電阻的影響。大家明白了開爾文接法后，讓我們回到主題，看看開爾文接法在電力電子中有哪些應(yīng)用？

1、高精度電流測量

電力電子應(yīng)用中的電流測量方法有很多種，在這里我們主要說一下電阻采樣法。通過電阻測量電流具有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、成本低、高帶寬的優(yōu)點(diǎn)。一般來說，測量中小電流的稱為電阻（阻值大，歐姆級別），測量大電流的電阻稱為分流器（阻值小，毫歐級別）。

由于分流器電阻很小，因此PCB焊接，布線，都會影響電流的測量。對于常規(guī)的2引腳的分流器電阻需要通過PCB布線實(shí)現(xiàn)開爾文連接，如圖3所示。

對于一些精度要求較高的應(yīng)用，制造商提供了帶有四個(gè)端子的分流器，在器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)開爾文連接，如圖4所示，這樣我們將兩個(gè)端子的線引出即可。

2、功率半導(dǎo)體器件封裝設(shè)計(jì)

我們所熟知的功率半導(dǎo)體器件IGBT或MOSFET都是三端口器件，門極（柵極）、集電極（漏極）和發(fā)射極（源極），然而實(shí)際的器件并不全是3個(gè)引腳的，有些器件會有4個(gè)引腳，多出來的那個(gè)引腳一般就是開爾文發(fā)射極（源極），也稱為驅(qū)動發(fā)射極（源極）。

在這里我們以TO247封裝為例，來聊一下是開爾文發(fā)射極（源極）的作用。圖5為CREE新推出的兩個(gè)SiC MOSFET器件，電壓和電流等級都一樣，封裝有所不同。



兩種器件封裝的等效電路如圖6所示，其中Ls1為mos內(nèi)部芯片源極至外部引腳功率源極S的雜散電感，一般在10nH以內(nèi)。

細(xì)心的小伙伴可能會發(fā)現(xiàn)在TO247-4封裝的開爾文源極也有寄生電感啊，你為什么沒有畫出來？是的沒錯，這個(gè)電感確實(shí)是存在的，但這個(gè)電感對MOS的開關(guān)過程基本沒什么影響，至于為什么后面會講到。



讓我們先看一下寄生電感Ls對TO247-3封裝器件開關(guān)暫態(tài)的影響。SiC MOSFET開通和關(guān)斷暫態(tài)漏極電流ID在寄生電感Ls上的感應(yīng)電壓方向如圖7所示。

開通暫態(tài)，漏極電流ID會在雜散電感Ls1產(chǎn)生上正下負(fù)的瞬態(tài)電壓；關(guān)斷暫態(tài)，漏極電流ID在雜散電感會產(chǎn)生上負(fù)下正的瞬態(tài)電壓。這兩個(gè)瞬態(tài)電壓VLs會減小真實(shí)的柵-源電壓VGSint。

例如在開通過程中，如果柵極開通Vgon為15V，開通電流上升率為1A/ns，寄生電感Ls1為5nH，當(dāng)忽略柵極電阻電壓時(shí)，真實(shí)的柵-源電壓VGSint只有10V。開關(guān)暫態(tài)Sic MOSFET芯片內(nèi)部柵-源電壓更詳細(xì)的公式如下：



讓我們再看看TO247-4封裝的SiC MOSFET，見圖8。雖然漏極電流還會在電感Ls1上產(chǎn)生電壓，但該電壓根本影響不到柵極驅(qū)動回路。

柵極電流雖然也會在開爾文源極的雜散電感Ls2產(chǎn)生電壓，但是這個(gè)電流和漏極電流還不是一個(gè)數(shù)量級，而且柵極電流變化較快的時(shí)候，器件還沒有開通，因此這個(gè)電感對柵極驅(qū)動影響很小，可以忽略。



通過對比兩種封裝的開關(guān)暫態(tài)可知，具有開爾文源極的器件開關(guān)速度會更快，損耗會更小，效率自然也會更高。

大家不要小看這么小的雜散電感，它帶來的影響還是很大的。圖9為ROHM公司采用兩種不同封裝但芯片一樣的SiC MOSFET的開關(guān)損耗對比結(jié)果?？梢钥闯鼍哂虚_爾文端子的器件開關(guān)損耗有明顯改善，而且電流越大時(shí)效果也會越明顯。

看到這里大家應(yīng)該都明白了，開爾文源極可以將驅(qū)動回路和功率回路有效解耦，這樣功率側(cè)電流的變化就不會影響到柵極驅(qū)動回路了，是不是和開爾文測量電流的原理有異曲同工之處？雖然具有開爾文端子的器件相比普通的封裝效率更高，但也有缺點(diǎn)，例如由于關(guān)斷速度快，尖峰自然也會更高一些，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，器件的耐受能力也會更低一些，至于為什么大家可以去分析一下。

最后再給小伙伴們看個(gè)大家伙，加深一下對功率器件開爾文端子的認(rèn)識，圖10為ABB 4.5kV 1.2kA的IGBT模塊，對外一共有9個(gè)端子，其中功率端子C和E各3個(gè)，是為了增大電流而設(shè)計(jì)的，輔助集電極端子c用于短路退飽和檢測，門極g和開爾文輔助發(fā)射極e用來控制IGBT開通和關(guān)斷。









審核編輯：劉清