聊一下开尔文接法在电力电子中的应用
大家好，今天我们来聊一下开尔文接法（kelvin connection）在电力电子中的应用。“开尔文”这个名字，大家应该并不陌生，高中物理应该都需学过，开尔文（kelvins）为热力学温标或称绝对温标，是国际单位制中的温度单位，符号为k。
开尔文温度和我们习惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15，即t=t+273.15（t是摄氏温度）。开尔文是以英国工程师和物理学家开尔文勋爵（威廉·汤姆森）名字定义的，让我们先瞻仰一下这位伟人的肖像。
今天我们要谈的开尔文接法和这个热力学温度单位没有关系，但是却和这位物理学家有关。故事源于威廉·汤姆森在1862年利用单臂电桥测量小电阻时，遇到的一些问题。他发现引线电阻和连接点处的接触电阻超过了被测电阻值，导致测量结果误差非常大。
然后，他发明了一种桥式电路测量方法，解决了该问题，此电路被称为汤姆孙电桥，后因他晋封为开尔文勋爵，故又称开尔文电桥。
开尔文电桥的测量原理如图2所示，其中r为待测电阻，rl为测量线缆的电阻。首先通过一个激励电流源给待测电阻r通入一个恒定电流i1，然后再测量电阻r上的电压，根据欧姆定律就可以计算出待测电阻值。
该方法测量精度高的原因是因为测量回路是电压表，阻抗很高，回路电流i2基本为0。激励源电流i1基本没有任何分流的通过来待测电阻r，只要电流源和电压表足够精确，计算出的电阻值也是很准确的。
这种将测量回路和激励源回路分开的四线接法，也称为开尔文接法。为了体现这种接法的优势，让我们再看看平常我们使用的万用表测量电阻原理。
万用表内部一般会有一个电压源或电流源，当给待测电阻一个电流源时，测量电压就可以计算出电阻。相反，当给一个电压源时，测量电流也可以计算出待测电阻。图2为第一种方案，可以看出通过电压表和电流源计算出的电阻包含了线缆（表笔）电阻，这种接法就是两线式接法。
两线式接法适合测量欧姆级别以上的电阻，对于毫欧级电阻就无能为力了，因为表笔的电阻还有接触电阻都有可能超过待测电阻。
通过对比可知，开尔文接法测量电阻的精度要远高于我们常用的两线式测量方法，主要是因为开尔文接法将测量回路和激励源回路进行了解耦处理，消除了线缆电阻和接触电阻对待测电阻的影响。大家明白了开尔文接法后，让我们回到主题，看看开尔文接法在电力电子中有哪些应用？
1、高精度电流测量
电力电子应用中的电流测量方法有很多种，在这里我们主要说一下电阻采样法。通过电阻测量电流具有结构简单、易实现、成本低、高带宽的优点。一般来说，测量中小电流的称为电阻（阻值大，欧姆级别），测量大电流的电阻称为分流器（阻值小，毫欧级别）。
由于分流器电阻很小，因此pcb焊接，布线，都会影响电流的测量。对于常规的2引脚的分流器电阻需要通过pcb布线实现开尔文连接，如图3所示。
对于一些精度要求较高的应用，制造商提供了带有四个端子的分流器，在器件内实现开尔文连接，如图4所示，这样我们将两个端子的线引出即可。
2、功率半导体器件封装设计
我们所熟知的功率半导体器件igbt或mosfet都是三端口器件，门极（栅极）、集电极（漏极）和发射极（源极），然而实际的器件并不全是3个引脚的，有些器件会有4个引脚，多出来的那个引脚一般就是开尔文发射极（源极），也称为驱动发射极（源极）。
在这里我们以to247封装为例，来聊一下是开尔文发射极（源极）的作用。图5 为cree新推出的两个sic mosfet器件，电压和电流等级都一样，封装有所不同。
两种器件封装的等效电路如图6所示，其中ls1为mos内部芯片源极至外部引脚功率源极s的杂散电感，一般在10nh以内。
细心的小伙伴可能会发现在to247-4封装的开尔文源极也有寄生电感啊，你为什么没有画出来？是的没错，这个电感确实是存在的，但这个电感对mos的开关过程基本没什么影响，至于为什么后面会讲到。
让我们先看一下寄生电感ls对to247-3封装器件开关暂态的影响。sic mosfet开通和关断暂态漏极电流id在寄生电感ls上的感应电压方向如图7所示。
开通暂态，漏极电流id会在杂散电感ls1产生上正下负的瞬态电压；关断暂态，漏极电流id在杂散电感会产生上负下正的瞬态电压。这两个瞬态电压vls会减小真实的栅-源电压vgsint。
例如在开通过程中，如果栅极开通vgon为15v，开通电流上升率为1a/ns，寄生电感ls1为5nh，当忽略栅极电阻电压时，真实的栅-源电压vgsint只有10v。开关暂态sic mosfet芯片内部栅-源电压更详细的公式如下：
让我们再看看to247-4封装的sic mosfet，见图8。虽然漏极电流还会在电感ls1上产生电压，但该电压根本影响不到栅极驱动回路。
栅极电流虽然也会在开尔文源极的杂散电感ls2产生电压，但是这个电流和漏极电流还不是一个数量级，而且栅极电流变化较快的时候，器件还没有开通，因此这个电感对栅极驱动影响很小，可以忽略。
通过对比两种封装的开关暂态可知，具有开尔文源极的器件开关速度会更快，损耗会更小，效率自然也会更高。
大家不要小看这么小的杂散电感，它带来的影响还是很大的。图9为rohm公司采用两种不同封装但芯片一样的sic mosfet的开关损耗对比结果。可以看出具有开尔文端子的器件开关损耗有明显改善，而且电流越大时效果也会越明显。
看到这里大家应该都明白了，开尔文源极可以将驱动回路和功率回路有效解耦，这样功率侧电流的变化就不会影响到栅极驱动回路了，是不是和开尔文测量电流的原理有异曲同工之处？虽然具有开尔文端子的器件相比普通的封装效率更高，但也有缺点，例如由于关断速度快，尖峰自然也会更高一些，当发生短路时，器件的耐受能力也会更低一些，至于为什么大家可以去分析一下。
最后再给小伙伴们看个大家伙，加深一下对功率器件开尔文端子的认识，图10为abb 4.5kv 1.2ka的igbt模块，对外一共有9个端子，其中功率端子c和e各3个，是为了增大电流而设计的，辅助集电极端子c用于短路退饱和检测，门极g和开尔文辅助发射极e用来控制igbt开通和关断。
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今天我们要谈的开尔文接法和这个热力学温度单位没有关系，但是却和这位物理学家有关。故事源于威廉·汤姆森在1862年利用单臂电桥测量小电阻时，遇到的一些问题。他发现引线电阻和连接点处的接触电阻超过了被测电阻值，导致测量结果误差非常大。
然后，他发明了一种桥式电路测量方法，解决了该问题，此电路被称为汤姆孙电桥，后因他晋封为开尔文勋爵，故又称开尔文电桥。
开尔文电桥的测量原理如图2所示，其中r为待测电阻，rl为测量线缆的电阻。首先通过一个激励电流源给待测电阻r通入一个恒定电流i1，然后再测量电阻r上的电压，根据欧姆定律就可以计算出待测电阻值。
该方法测量精度高的原因是因为测量回路是电压表，阻抗很高，回路电流i2基本为0。激励源电流i1基本没有任何分流的通过来待测电阻r，只要电流源和电压表足够精确，计算出的电阻值也是很准确的。
这种将测量回路和激励源回路分开的四线接法，也称为开尔文接法。为了体现这种接法的优势，让我们再看看平常我们使用的万用表测量电阻原理。
万用表内部一般会有一个电压源或电流源，当给待测电阻一个电流源时，测量电压就可以计算出电阻。相反，当给一个电压源时，测量电流也可以计算出待测电阻。图2为第一种方案，可以看出通过电压表和电流源计算出的电阻包含了线缆（表笔）电阻，这种接法就是两线式接法。
两线式接法适合测量欧姆级别以上的电阻，对于毫欧级电阻就无能为力了，因为表笔的电阻还有接触电阻都有可能超过待测电阻。
通过对比可知，开尔文接法测量电阻的精度要远高于我们常用的两线式测量方法，主要是因为开尔文接法将测量回路和激励源回路进行了解耦处理，消除了线缆电阻和接触电阻对待测电阻的影响。大家明白了开尔文接法后，让我们回到主题，看看开尔文接法在电力电子中有哪些应用？
1、高精度电流测量
电力电子应用中的电流测量方法有很多种，在这里我们主要说一下电阻采样法。通过电阻测量电流具有结构简单、易实现、成本低、高带宽的优点。一般来说，测量中小电流的称为电阻（阻值大，欧姆级别），测量大电流的电阻称为分流器（阻值小，毫欧级别）。
由于分流器电阻很小，因此pcb焊接，布线，都会影响电流的测量。对于常规的2引脚的分流器电阻需要通过pcb布线实现开尔文连接，如图3所示。
对于一些精度要求较高的应用，制造商提供了带有四个端子的分流器，在器件内实现开尔文连接，如图4所示，这样我们将两个端子的线引出即可。
2、功率半导体器件封装设计
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在这里我们以to247封装为例，来聊一下是开尔文发射极（源极）的作用。图5 为cree新推出的两个sic mosfet器件，电压和电流等级都一样，封装有所不同。
两种器件封装的等效电路如图6所示，其中ls1为mos内部芯片源极至外部引脚功率源极s的杂散电感，一般在10nh以内。
细心的小伙伴可能会发现在to247-4封装的开尔文源极也有寄生电感啊，你为什么没有画出来？是的没错，这个电感确实是存在的，但这个电感对mos的开关过程基本没什么影响，至于为什么后面会讲到。
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栅极电流虽然也会在开尔文源极的杂散电感ls2产生电压，但是这个电流和漏极电流还不是一个数量级，而且栅极电流变化较快的时候，器件还没有开通，因此这个电感对栅极驱动影响很小，可以忽略。
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