大家好，今天我們來聊一下開爾文接法（Kelvin connection）在電力電子中的應用。“開爾文”這個名字，大家應該并不陌生，高中物理應該都需學過，開爾文（Kelvins）為熱力學溫標或稱絕對溫標，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慣使用的攝氏溫度相差一個常數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熱力學溫度單位沒有關系，但是卻和這位物理學家有關。故事源于威廉·湯姆森在1862年利用單臂電橋測量小電阻時，遇到的一些問題。他發現引線電阻和連接點處的接觸電阻超過了被測電阻值，導致測量結果誤差非常大。

然后，他發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。首先通過一個激勵電流源給待測電阻R通入一個恒定電流I1，然后再測量電阻R上的電壓，根據歐姆定律就可以計算出待測電阻值。

該方法測量精度高的原因是因為測量回路是電壓表，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，計算出的電阻值也是很準確的。



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。為了體現這種接法的優勢，讓我們再看看平常我們使用的萬用表測量電阻原理。

萬用表內部一般會有一個電壓源或電流源，當給待測電阻一個電流源時，測量電壓就可以計算出電阻。相反，當給一個電壓源時，測量電流也可以計算出待測電阻。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，因為表筆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高于我們常用的兩線式測量方法，主要是因為開爾文接法將測量回路和激勵源回路進行了解耦處理，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用？

1、高精度電流測量

電力電子應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構簡單、易實現、成本低、高帶寬的優點。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。對于常規的2引腳的分流器電阻需要通過PCB布線實現開爾文連接，如圖3所示。

對于一些精度要求較高的應用，制造商提供了帶有四個端子的分流器，在器件內實現開爾文連接，如圖4所示，這樣我們將兩個端子的線引出即可。

2、功率半導體器件封裝設計

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

在這里我們以TO247封裝為例，來聊一下是開爾文發射極（源極）的作用。圖5為CREE新推出的兩個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。

細心的小伙伴可能會發現在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，這個電感確實是存在的，但這個電感對MOS的開關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封裝器件開關暫態的影響。SiC MOSFET開通和關斷暫態漏極電流ID在寄生電感Ls上的感應電壓方向如圖7所示。

開通暫態，漏極電流ID會在雜散電感Ls1產生上正下負的瞬態電壓；關斷暫態，漏極電流ID在雜散電感會產生上負下正的瞬態電壓。這兩個瞬態電壓VLs會減小真實的柵-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，當忽略柵極電阻電壓時，真實的柵-源電壓VGSint只有10V。開關暫態Sic MOSFET芯片內部柵-源電壓更詳細的公式如下：



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上產生電壓，但該電壓根本影響不到柵極驅動回路。

柵極電流雖然也會在開爾文源極的雜散電感Ls2產生電壓，但是這個電流和漏極電流還不是一個數量級，而且柵極電流變化較快的時候，器件還沒有開通，因此這個電感對柵極驅動影響很小，可以忽略。



通過對比兩種封裝的開關暫態可知，具有開爾文源極的器件開關速度會更快，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的開關損耗對比結果?？梢钥闯鼍哂虚_爾文端子的器件開關損耗有明顯改善，而且電流越大時效果也會越明顯。

看到這里大家應該都明白了，開爾文源極可以將驅動回路和功率回路有效解耦，這樣功率側電流的變化就不會影響到柵極驅動回路了，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，例如由于關斷速度快，尖峰自然也會更高一些，當發生短路時，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大家伙，加深一下對功率器件開爾文端子的認識，圖10為ABB 4.5kV 1.2kA的IGBT模塊，對外一共有9個端子，其中功率端子C和E各3個，是為了增大電流而設計的，輔助集電極端子c用于短路退飽和檢測，門極g和開爾文輔助發射極e用來控制IGBT開通和關斷。









審核編輯：劉清