【導(dǎo)讀】頻電抗器用于電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力汽車 (HEV) 的各種位置。例如，電池和逆變器之間的升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及電池充電電路中的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，必須提高每個(gè)組成電路的效率，而電抗器是造成這些電路大量損耗的元件之一。
頻電抗器用于電動(dòng)汽車 (EV) 和混合動(dòng)力汽車 (HEV) 的各種位置。例如，電池和逆變器之間的升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及電池充電電路中的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，必須提高每個(gè)組成電路的效率，而電抗器是造成這些電路大量損耗的元件之一。因此，準(zhǔn)確測(cè)量電抗器損耗是提高整個(gè)系統(tǒng)效率的一項(xiàng)重要任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，由于這些電抗器中的大多數(shù)都是以高頻開(kāi)啟和關(guān)閉的，因此傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為很難直接測(cè)量電抗器損耗。過(guò)去，IGBT 等元件被用作開(kāi)關(guān)元件，開(kāi)關(guān)頻率約為數(shù)十千赫茲。近年來(lái)，SiC 和 GaN 元件的商業(yè)化進(jìn)展使得開(kāi)關(guān)頻率超過(guò) 100 kHz 成為可能，刺激了對(duì)高頻帶測(cè)量?jī)x器的需求。本文結(jié)合實(shí)際測(cè)量示例，介紹了一種高精度測(cè)量電抗器損耗的方法。
反應(yīng)堆損失
圖 1 示出了電抗器的等效電路，可以將其視為電感元件 Ls 與電阻 Rs 串聯(lián)的電路，代表?yè)p耗。
圖 1：電抗器的等效電路
等效電路的 Ls 和 Rs 可以用標(biāo)準(zhǔn)的 LCR 表測(cè)量。在這種情況下，LCR 表會(huì)將微小的正弦波信號(hào)施加到測(cè)量目標(biāo)并測(cè)量阻抗。相比之下，工作電路中的電抗器的特性將與使用 LCR 表進(jìn)行的測(cè)量不同，原因如下：
開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，將對(duì)元件施加矩形波電壓，流過(guò)三角波電流，因此電壓波形和電流波形都不會(huì)是正弦波。
由于元件磁芯的特性，各參數(shù)會(huì)表現(xiàn)出電平依賴性。這種依賴性會(huì)導(dǎo)致元件工作時(shí)的Ls、Rs等量與用LCR表測(cè)量得到的值不同。
DC/DC轉(zhuǎn)換器使用過(guò)程中，流過(guò)電抗器的電流會(huì)出現(xiàn)直流疊加，疊加時(shí)的參數(shù)會(huì)因磁芯的飽和特性而有所不同。
總之，對(duì)電抗器損耗和參數(shù)的高精度測(cè)量不是必須用LCR表來(lái)測(cè)量，而是必須在元件處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)進(jìn)行。
電抗器損耗的測(cè)量方法
圖 2 給出了以升壓斬波電路為例測(cè)量電抗器損耗時(shí)的測(cè)量框圖。本例中使用功率分析儀 PW6001 和電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，儀器直接測(cè)量施加到電抗器上的電壓 UL 和電流 IL，然后計(jì)算損耗。在此設(shè)置中測(cè)量的功率包括繞組和鐵芯中消耗的功率總和。簡(jiǎn)而言之，正在測(cè)量電抗器的總損耗。
為提高測(cè)量精度，應(yīng)盡量縮短電流布線路徑和電壓電纜與功率分析儀的連接距離。此外，還需要考慮電抗器附近的金屬和磁性物體的影響。電線等附近的金屬物體可能會(huì)影響電抗器的運(yùn)行，因此需要特別注意。此外，由于測(cè)量可能會(huì)受到電壓電纜周邊噪聲的影響，因此在測(cè)量前將電纜絞合好。
圖 2：升壓斬波電路中電抗器損耗的測(cè)量
單獨(dú)測(cè)量鐵心的損耗（鐵心損耗）時(shí)，如圖3所示，將二次接線繞在鐵心上后測(cè)量電抗器電壓。
圖3：磁芯損耗的測(cè)量
由于磁芯損耗定義為BH環(huán)路的面積，因此單位體積的磁芯損耗Pc可按下式計(jì)算，其中T表示一個(gè)BH環(huán)路周期的持續(xù)時(shí)間：
large P_c = frac{1}{T}int HdB = frac {1}{T}int _0 ^THfrac{dB}{dt}dt
設(shè)鐵心的磁路長(zhǎng)度為l，磁芯的截面積為A，則繞組電流i與磁場(chǎng)H、二次繞組電壓v與磁通密度B的關(guān)系為：
large H = frac{N_li}{l}
large frac{dB}{dt}=frac{v}{N_2A}
因此，單位體積的磁芯損耗可按下式計(jì)算，其中 P 表示根據(jù)初級(jí)繞組電流 i 和次級(jí)繞組電壓 v 計(jì)算出的功率。
large P_c = frac{1}{lA}cdot frac{N_1}{N_2}cdot frac{1}{T}int_0^T vcdot idt
large = frac{1}{lA}cdot frac{N_1}{N_2}cdot P
此外，由于磁芯的體積由lA給出，因此磁芯的總磁芯損耗PcALL可按如下方式計(jì)算：
large P_{cALL} = P_c cdot lA = frac{N_1}{N_2}P
因此，通過(guò)采用圖3所示的裝置進(jìn)行測(cè)量，可以測(cè)量實(shí)際工作條件下的鐵損。
此外，功率分析儀PW6001可將以5MSa/s采樣的16位電壓和電流波形數(shù)據(jù)保存為CSV文件，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ATLAB*，從而使該儀器能夠生成比使用標(biāo)準(zhǔn)波形記錄器所能獲得的更高精度的波形數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)還可用于分析目的，例如繪制BH環(huán)路。
*MATLAB 是 Mathworks Inc. 的注冊(cè)商標(biāo)。
為何反應(yīng)堆損失測(cè)量如此困難？
電感是決定電抗器阻抗的主要成分。從功率測(cè)量的角度來(lái)看，測(cè)量的特點(diǎn)是功率因數(shù)低。簡(jiǎn)而言之，電壓和電流之間的相位差接近 90°。如圖 4 所示，儀器的電壓和電流測(cè)量單元之間的相位誤差對(duì)測(cè)量值的影響比在高功率因數(shù)下進(jìn)行測(cè)量時(shí)更大。因此，測(cè)量單元必須具有較高的相位精度。
圖4：相位誤差與功率測(cè)量誤差的關(guān)系
另外，電抗器的開(kāi)關(guān)頻率從幾十千赫到幾百千赫不等。如上所述，隨著SiC和GaN元件的商用化，開(kāi)關(guān)頻率有不斷上升的趨勢(shì)，在如此高的頻率下，需要使用相位精度高的測(cè)量?jī)x器。另外，在使用電流傳感器時(shí)，需要考慮電流傳感器的相位誤差。
此外，在圖2所示的測(cè)量類型中，較大的共模電壓將施加到電壓和電流測(cè)量單元。因此，必須使用具有高共模抑制比（CMRR）的儀器。
如上所述，測(cè)量元件以幾十千赫茲至幾百千赫茲的頻率進(jìn)行切換，測(cè)量環(huán)境的噪聲非常大。因此，需要使用具有高抗噪聲能力的儀器。
因此，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，測(cè)量電抗器損耗是一項(xiàng)困難的過(guò)程，因?yàn)樗枰慌_(tái)在許多領(lǐng)域都表現(xiàn)出高性能的儀器。使用功率分析儀 PW6001 可以滿足這些要求，它具有以下功能：
采用電流傳感器移相功能，具有寬頻帶、高精度的相位特性
高 CMRR（100 kHz 時(shí)為 80 dB 或更高）
采用專用電流傳感器，具有較高的抗噪性
電抗器損耗測(cè)量所需的儀器特性
圖 5 示出了施加到如圖 2 所示電路中的電抗器的電壓和電流波形。電壓波形為矩形波，而電流波形為疊加了直流分量的三角波。要用這樣的波形測(cè)量精度為 0.1% 的損耗，需要大約 5 至 7 倍開(kāi)關(guān)頻率的頻帶[4]。例如，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為 100 kHz 時(shí)，測(cè)量需要提供 500 kHz 至 700 kHz 的頻帶。
圖5：升壓斬波電路中的電抗器電壓和電流波形
需要注意的是，不僅幅度（增益）需要高精度測(cè)量能力，電壓和電流之間的相位差也需要高精度測(cè)量能力。要測(cè)量超過(guò)幾安培的高頻電流，必須使用電流傳感器[2]。由于電流傳感器的相位誤差在高頻下無(wú)法忽略，因此必須采用某種校正方法。大多數(shù)其他制造商的功率分析儀和示波器使用去偏移功能執(zhí)行此校正。根據(jù)電流傳感器的特性，該方法需要對(duì)每個(gè)測(cè)量頻率使用不同的延遲時(shí)間。因此，在測(cè)量具有寬帶頻率成分的失真波形（例如三角波形）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致更大的誤差。通過(guò)使用帶有高精度電流傳感器的功率分析儀 PW6001 以及儀器的相移功能，并將電流傳感器的相位誤差在一個(gè)點(diǎn)輸入 PW6001，可以在寬頻帶上進(jìn)行低相位誤差的測(cè)量。
使用功率分析儀測(cè)量反應(yīng)堆的示例
本節(jié)介紹使用功率分析儀 PW6001 和電流箱 PW9100 測(cè)量電抗器的示例。圖 6 為測(cè)量電路圖，表 1 列出了被測(cè)電抗器的規(guī)格。測(cè)量是在使用功率放大器（4055，NF 公司）施加正弦信號(hào)的同時(shí)進(jìn)行的。
圖 6：測(cè)量框圖
反應(yīng)器規(guī)格
表1 反應(yīng)器規(guī)格
功率分析儀用于測(cè)量 RMS 電壓和電流值以及相位誤差和功率等參數(shù)。PW6001 允許操作員將這些基本測(cè)量值組合成可實(shí)時(shí)執(zhí)行的用戶定義計(jì)算形式?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置表 2 中列出的用戶定義計(jì)算來(lái)測(cè)量電抗器參數(shù)。
表 2 配置用戶定義的計(jì)算
圖7表示以10kHz的頻率改變施加在電抗器上的電流時(shí)，電感LS和電阻RS的變化，圖8表示以0.5A的交流電流有效值固定，以100kHz的頻率改變直流偏置電流時(shí)，電感LS和電阻RS的變化。通常，LCR測(cè)量?jī)x只能測(cè)量幾十毫安的電流。另外，LCR測(cè)量?jī)x的直流偏置單元能夠產(chǎn)生的直流偏置電流的范圍是有限的。由于這些限制，測(cè)量的參數(shù)與表征實(shí)際工作狀態(tài)的值不同。如本例所示，可以將功率分析儀和電源組合起來(lái)，以接近實(shí)際工作狀態(tài)的電流水平來(lái)測(cè)量電抗器。
圖 7：測(cè)量示例，說(shuō)明電感和電阻的電平依賴性（f = 10 kHz）
本例說(shuō)明如何使用電源施加正弦波電流和電壓。如上所述，通常向運(yùn)行中的電抗器施加的是矩形波電壓和三角波電流，而不是正弦波信號(hào)。功率分析儀允許在這種情況下直接測(cè)量電抗器。此外，可以根據(jù)儀器執(zhí)行的諧波計(jì)算結(jié)果計(jì)算出 LS 和 RS 等參數(shù)。這些儀器特性使更準(zhǔn)確的分析成為可能。
圖8：電感與電阻的直流疊加特性測(cè)量示例（f = 100 kHz）
結(jié)論
本文結(jié)合實(shí)際測(cè)量實(shí)例，介紹了高頻電抗器損耗的測(cè)量和分析方法。為了準(zhǔn)確測(cè)量高頻電抗器的損耗等參數(shù)，必須在接近實(shí)際運(yùn)行條件的條件下進(jìn)行測(cè)量。此外，本文還介紹了進(jìn)行此類測(cè)量所需的功率分析儀的高性能水平。，本文提供了一個(gè)使用 PW6001 功率分析儀測(cè)量和分析電抗器損耗的實(shí)例。
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