摘要:傳統(tǒng)的LCR電橋+偏流源的大功率電感的測(cè)試方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足電力電子領(lǐng)域超大電流電感的測(cè)試,因此本文提出了一種基于測(cè)量電流變化率di/dt的測(cè)試方法。在針對(duì)這兩種測(cè)試方法的理論分析基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)di/dt法的軟硬件電路,并開(kāi)發(fā)了一套完整的產(chǎn)品。對(duì)某大功率電感進(jìn)行測(cè)試對(duì)比的結(jié)果表明, di/dt法和LCR電橋+偏流源方法是一致的。
關(guān)鍵詞:電感量測(cè)量;大偏置電流;di/dt測(cè)試法。
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引言
目前對(duì)于電感的測(cè)試,有LCR電橋法、直流脈動(dòng)法(3)、交流激勵(lì)測(cè)試法(5)、開(kāi)關(guān)式電感測(cè)量法(6)。目前常用的是數(shù)字化LCR電橋,其原理是在被測(cè)的電感上加一個(gè)高頻電壓信號(hào),通過(guò)電橋的自動(dòng)平衡原理,測(cè)量電感的各種參數(shù), 如電感量,品質(zhì)因數(shù)等。由于測(cè)量的電壓是一個(gè)不超過(guò)10V的小電壓,流過(guò)電感的電流也是一個(gè)幾十毫安級(jí)的小電流,所以LCR電橋測(cè)到的是小信號(hào)下的電感參數(shù)。這個(gè)方法適合對(duì)小信號(hào)模擬電路上的電感元件的測(cè)量。
*電感是一個(gè)非線性化的元件,電感參數(shù)和流過(guò)的電流引起的電感的磁性材料的磁化狀態(tài)有很大的關(guān)系。對(duì)大功率電感,目前采用的主要是LCR電橋+偏流源測(cè)試方法,該方法的本質(zhì)是在一個(gè)恒定的直流電流上疊加一個(gè)高頻小信號(hào)去測(cè)量電感。這種傳統(tǒng)LCR電橋+偏流源的測(cè)試系統(tǒng),不但價(jià)格昂貴,體積龐大,操作復(fù)雜, 而且大測(cè)試電流只能在200A以?xún)?nèi),已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上電力電子新產(chǎn)品的發(fā)展。
隨著大功率電力電子和新能源產(chǎn)品的高速發(fā)展,功率電感的電流定額也日益增長(zhǎng),目前已經(jīng)有超過(guò)1000A電流的功率電感的需求。工程師關(guān)心的是功率電感在大電流下的電感量衰減是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、功率電感是否飽和以及飽和的程度如何。大電流功率電感的測(cè)量對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)高可靠性低成本的電力電子和新能源產(chǎn)品至關(guān)重要(4)。針對(duì)這種情況,本文提出一種基于測(cè)量電流變化率di /dt 的大功率電感測(cè)試方法。
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di/dt法的基本原理
di/dt法的基本原理是對(duì)電感器件施加恒定的直流脈沖電壓,通過(guò)測(cè)量電感di/dt的變化, 計(jì)算出對(duì)應(yīng)電感量和其他參數(shù)(1)(3)。
基本公式如下:
U=Ldi/dt(1)
圖1是電感的直流磁鏈對(duì)電流的曲線。IA是電感工作點(diǎn)偏置電流,IB是電流達(dá)到預(yù)設(shè)的停止測(cè)試的大電流點(diǎn)。工作點(diǎn)A在磁化曲線上變化,割線電感Lsec和增量電感Linc都將產(chǎn)生相應(yīng)的改變。
圖 1 割線電感Lsec和增量電感Linc
di/dt法是對(duì)直流磁鏈曲線切線計(jì)算增量電感(1)(2),我們定義增量電感(動(dòng)態(tài)電感或小信號(hào)電感)Linc如下
Linc=△ΨmA/△IA
LCR電橋+偏流源測(cè)試方法是對(duì)直流磁化曲線上疊加的一個(gè)交流小磁滯回環(huán)測(cè)量增量電感,如圖2所示。
圖 2 LCR電橋+偏流源測(cè)試方法的交流磁滯回環(huán)和增量電感
LCR電橋所得到△ΨmA和△IA分別對(duì)應(yīng)的是磁鏈變化的峰值和電流變化的峰值。兩個(gè)頂點(diǎn)拉的一條直線和直流磁鏈曲線切線的物理意義相同,理論上是平行的。LCR電橋所得到的交流磁滯回環(huán)是極小的,所以LCR電橋所測(cè)的增量電感值和磁鏈曲線切線計(jì)算的增量電感是很接近的。
電力電子領(lǐng)域的濾波電感的工作狀態(tài)正是一個(gè)直流偏置電流上疊加一個(gè)交流磁化曲線,增量電感才是用戶(hù)關(guān)心的物理量。
另外割線電感或大信號(hào)電感Lsec定義如下。這個(gè)物理量是LCR電橋無(wú)法測(cè)量的。
Lsec=ΨmA/IA(3)
圖3 di/dt法基本原理框圖
如圖3所示的是di/dt法基本原理框圖。系統(tǒng)由一個(gè)可調(diào)的電壓源對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電,當(dāng)充電到預(yù)設(shè)的電壓后停止??刂齐娐钒l(fā)出一個(gè)導(dǎo)通脈沖到大功率電子開(kāi)關(guān)T1,使得儲(chǔ)能電容C1、C2、C3對(duì)被測(cè)電感施加一個(gè)脈沖電壓。當(dāng)超過(guò)大電流限值IB時(shí)則切斷脈沖電壓。
AD采集卡對(duì)被測(cè)電感元件上的電壓U和電流I進(jìn)行精密的高速AD采樣,我們可以獲得相應(yīng)的電壓電流數(shù)據(jù)。把這組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,就可以獲得對(duì)應(yīng)的電感參數(shù):增量電感、正割電感、磁鏈和磁共能??梢缘玫皆隽侩姼幸约罢铍姼袑?duì)電流的電感曲線,既可以作為電流的函數(shù),也可以作為施加的電壓—時(shí)間積分的函數(shù)。
這種測(cè)量方法相比于偏流源法的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。優(yōu)點(diǎn)如下:
①由于是單脈沖測(cè)量,利用電容的放電可以很容易得到極大的偏置電流,如數(shù)千安倍。
②測(cè)量條件與電力電子實(shí)際應(yīng)用中的電感元件的方波脈沖電壓的工作條件是一致的。所以di/dt法測(cè)試結(jié)果更加接近于真實(shí)的電力電子的工作狀態(tài)。
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di/dt法設(shè)計(jì)的大電流電感測(cè)試儀
IPT1000 是基于di/dt法設(shè)計(jì)的大電流電感測(cè)試儀,技術(shù)指標(biāo)如下:
表1大電流電感測(cè)試儀技術(shù)指標(biāo)
大測(cè)試能量 | 大脈沖電壓 | 大脈沖電流 | 電流檔位1 | 電流檔位2 | 電流檔位3 |
1100J | 400V | 1000A | 1-10A | 10-100A | 100-1000A |
為了確認(rèn)di/dt法和LCR+偏流源法測(cè)試電感的一致性,我們對(duì)伍爾特的大功率電感(型號(hào)7443763521033)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,該電感的額定電流是7,標(biāo)稱(chēng)電感3.3UH。由于該電感的感量較小,為了提高測(cè)試精度,對(duì)該電感測(cè)試的時(shí)候采用了10V電壓。如果選擇的測(cè)試電壓比較高,那么放電脈沖時(shí)間就特別短,會(huì)導(dǎo)致噪聲和誤差比較大。
下面的表2是IPT1000和WK3255B英國(guó)穩(wěn)科LCR+WK3265B 偏流源(50A)測(cè)試同一個(gè)型號(hào)7443763521033的電感的數(shù)據(jù)對(duì)比 (電感單位UH)。測(cè)試結(jié)果表明兩個(gè)數(shù)據(jù)很接近。大的誤差為6%,發(fā)生在激勵(lì)頻率比較低的1kHz處。
表2 di/dt法和LCR+偏流源法測(cè)量比較結(jié)果
直流偏置電流 | 1 | 20A | 30A | 3 | 40A | 46A | |
LCR+偏流f=1kHz | 3.66 | 3.66 | 3.65 | 3.64 | 3.63 | 3.61 | 3.59 |
LCR+偏流f=10kHz | 3.44 | 3.44 | 3.44 | 3.44 | 3.44 | 3.44 | 3.42 |
LCR+偏流f=100kHz | 3.31 | 3.31 | 3.31 | 3.3 | 3.29 | 3.29 | 3.27 |
IPT1000 | 3.38 | 3.5 | 3.41 | 3.43 | 3.45 | 3.45 | 3.47 |
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結(jié)語(yǔ)
本文提出了一種基于測(cè)量電流變化率di/dt來(lái)計(jì)算出電感值的方法,并研發(fā)設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的產(chǎn)品。在對(duì)某大功率電感進(jìn)行測(cè)試對(duì)比后的結(jié)果表明, di/dt法和LCR電橋+偏流源法的測(cè)試結(jié)果是一致的。
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