测量类有关论文范例 跟高频电抗器的损耗测量类本科论文开题报告范文

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高频电抗器的损耗测量

用功率分析仪对电抗器(感应器)的测量、分析方法

前言

在EV或HEV内部越来越多的使用到高频电抗器.比如,从电池到变频器的升压DC/DC逆变器,或电池充电回路中AC/DC变频器等.为了提高系统的整体效率,需要分别改善各回路中的效率.在这些回路中,损耗较大的一种元件就是电抗器.因此,为了提高系统的整体效率,必须准确的测量电抗器的损耗.一般来说,在高频工作状态下直接测试电抗器的损耗比较难,作为开关元器件的IGBT的开关频率也就在几十kHz.近年来随着SiC和GaN元件的实用化,出现了超过100kHz的开关.因此,测量仪器所需频带也随之高频化.本文将穿插测量实例来给大家介绍高精度测量电抗器损耗的方法.

电抗器的损耗

电抗器的等效回路如图1所示.可以将其作为电感元件Ls和损耗部分的电阻Rs的串联等效回路.

这些Ls或Rs可以使用普通的LCR测试仪来进行测量.这时,LCR测试仪会将微小的正弦波信号加在被测物上后再测量阻抗.但是实际工作回路中的电抗器会在以下的点上出现和用LCR测量仪测试时的不同的情况.

通过开关工作外加方波电压.这样,因为会流过三角波电流,所以电压和电流波形并不是正弦波.

由于磁芯特性,因此实际工作状态下的Ls或Rs等会出现和用LCR测试仪测量时不同的数值.

使用DC/DC变频器时,加在电抗器上的电流会直流叠加.由于磁饱和特性,导致直流叠加的参数可能出现差异.

也就是说,为了高精度的测量电抗器的损耗或各参数,不光要用LCR测试仪进行测量,还需要在实际工作状态下进行测量.

电抗器损耗的测量方法

例:测量升压斩波电路中的电抗器损耗时的测量框图如图2所示.使用功率分析仪PW6001和电流传感器进行测量.使用功率分析仪直接测量外加在电抗器上的电压UL和电流IL,并测量损耗.这时测量的功率是绕组和磁芯分别消耗的功率总和.也就是说,测量的是电抗器整体的损耗.

这时,考虑到电抗器周围的金属、导体、电压线等周围干扰的影响,尽量缩短电流的配线回路,以及连接功率分析仪的电压线来更加准确的进行测量.

只测量磁芯的损耗(coreAloss)时,如图3所示测量初级绕组带磁芯的感生电压.

磁芯损耗是B-H环路的面积,因此每个单位体积的磁芯损耗Pc是:

这里,T是B-H环路一周的周期.磁芯的磁路长度为l,横截面积为A时,初级绕组的电流,i,和磁场H,次级绕组的感生电压v和磁束密度B的关系是:

因此,每个单位体积的磁芯损耗为:

这里,P是通过初级绕组的电流i和次级绕组的感生电压v测量到的功率.而且,因为磁芯的体积是lA,所以磁芯整体的磁芯损耗PcALL是

如上所述,按照图3中的结构进行测量,可以测量在实际工作状态下的磁芯损耗.

使用功率分析仪PW6001能够以5MS/s采样率、16bit分辨率进行电压、电流波形的数据采集,并以CSV格式进行保存并可以通过MATLAB数学建模.这样,比起普通的数据采集仪采集的波形数据,能够获得更高精度的波形数据.也能够以此为基础进行B-H曲线绘制等的分析.

为什么电抗器的损耗很难进行测量?

由于电抗器中的电感特性,功率测量时,功率因数会非常小.也就是说,电压和电流的相位差会接近90°.如图4所示,因此,相位角的测量精度非常重要.

此外,一般来说电抗器在在几十kHz~100kHz以上的工作频率下作为开关来使用.由于SiC和GaN元件的使用,开关频率趋向于高频化.在这样的高频工作环境下就需要使用相位测量精度较高的测量仪器.如果配套使用电流传感器的话,还需要考虑到电流传感器本身的相位误差.

另外,如图2所示进行测量时,电压测量部分、电流测量部分中会外加较大的同相电压.因此,需要使用共模抑制比CMRR较好的测量仪器.

如上所述,在几十kHz~100kHz以上频率下测量开关器件,实际工作回路中干扰非常大,使用功率分析仪PW6001的话,通过以下几点,能够满足上述要求.

电流传感器的相位补偿功能可以准确测量相位特性 [1]

高共模抑制比CMRR(100kHz时80dB以上)高 

专门设计的电流传感器提高抗干扰性[2][3]

电抗器的损耗测量中所需的测量仪器的特性

如图2所示的电路中外加在电抗器上的电压、电流波形如图5所示.电压是方波,电流是叠加DC的三角波.这种波形下,以0.1%的精度测量损耗时,所需的频带是开关频率的5倍~7倍左右[4].例如:开关频率为100kHz时,需要的测量仪器的频带为500kHz~700kHz.

重要的是除了幅值以外,还需要高精度的测量电压、电流的相位.测量高频大电流时,需要使用电流传感器[2].这时,由于是高频工作环境所以需要对电流传感器进行相位补偿.其他公司的功率分析仪或示波器大多使用校正时间偏差进行补偿.这样,由于电流传感器的特性,就需要改变每个测量频率所设的延迟时间.所以测量如三角波这样含宽频成分的畸变波形时,会导致误差较大.而使用功率分析仪PW6001和高精度电流传感器,通过相位补偿功能,只需要向主机中输入相应电流传感器在测量频率上的相位补偿值,就可以进行准确的测量.

使用功率分析仪进行电抗器测量的实例

使用功率分析仪PW6001和电流直接输入单元PW9100,进行电抗器测量的实例,如图6所示.被测物的电抗器的规格如表1所示.通过功率放大器(4055 NF Corporation)外加正弦波信号进行测量.

功率分析仪测量电压、电流的有效值,以及相位差、功率等项目.使用PW6001,能够测量这些基本参数,并可以实时查看用户所需的“用户自定义运算”任意参数.如表2设置.

图7中所示当频率10kHz时改变外加在电抗器上的电流值后的电感Ls、电阻Rs的变化.当频率100kHz,交流电流有效值固定为0.5A时,改变DC偏置电流时的电感Ls、电阻Rs的变化如图8所示.通常,使用LCR测试仪电流最多只能测到十几mA左右.LCR测试仪的DC偏置单元的直流偏置电流有限.这样,所测参数和实际工作状态就会有偏差.如以上范例,通过功率分析仪和电源的组合使用,就能够在接近实际工作状态的电流电平下进行电抗器的测量.

在这次的范例中,显示的是使用电源外加正弦波电流、电压时的情况.实际工作状态的电抗器外加方波电压或三角形波电流,而不是正弦波的情况较多.通过功率分析仪就可以直接测量实际工作状态时的电抗器损耗.而且,如Ls和Rs这样的参数,可以在功率分析仪的谐波运算结果的基础上进行运算.根据这些特征,能够做出更加准确的分析.

结语

本文针对高频电抗器的损耗测量和分析方法,穿插测量实例进行了介绍.为了准确的测量高频电抗器的损耗和参数,关键是在接近实际工作状态下进行测量工作.而且,可见对测量中所使用的功率分析仪有高电平的性能要求.另外展示了实际使用PW6001进行电抗器的损耗测量和分析的实例.

参考文献

[1]Yoda, H., “Power Analyzer PW6001”, HIOKITechnical Notes, vol.2, no.1, 2016, pp.43-49.

[2]Yoda, H., H. Kobayashi, and S. Takiguchi,“Current Measurement Methods that Deliver HighPrecision Power Analysis in the Field of PowerElectronics” Bodo’s Power Systems, April 2016,pp.38-42.

[3]Ikeda, K., and H. Masuda, “High-Precision,Wideband, Highly Stable Current SensingTechnology” Bodo’s Power Systems, July 2016,pp.22-28.

[4]Hayashi, K, “High-Precision Power Measurementof SiC Inverters” Bodo’s Power Systems,September 2016, pp.42-47.

测量论文范文结:

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