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电源谷 电力电子测量电力电子测量 在设计与测试开关电源，马达驱动器，电子镇流器等等时都面临提高转换效率的问题。这也对电力电子测量提出了新的挑战。本文将讨论电力电子测量中各种应用，测量技术，探测技术等的难题及解决方 案。 图1：如果你需要测量“A”与“B”之间的电压，你将遇到电力电子测量的基本难题目录第一章 概述第二章 电压测量第三章 电流测量第四章 电力电子测量与计算第五章 总结第一章 概述一 应用问题： 通过了解功率分布负载功率晶体管开关损耗绕组和电容损耗来提高转换效率减少分布参数，提高可靠性减小尺寸，省去风扇减少设备操作费用提高电池工作时间 开关模式的设计技术在大多数电能变换应用领域已经取代线性技术。例如：开 关电源、脉宽调制马达驱动器、电子镇流器等。竞争的压力使得你必须不断提高转换 效率 ，缩小体积（提高瓦特数/立方厘米）。设计者必须转向更新、更快的开关装 置，磁元件，电路拓扑结构。但是基本的问题仍然存在：电路是否如预想的那样工作 ？有什 么损耗，损耗在 什么地方？在启动或故障时发生了什么？ 二 测量问题：电力电子测量现在存在许多问题。如： 非接地/浮动测量安全问题（UL1244/IEC 1010标准）宽动态范围（从关断的600V到接通的100kHz的开关模式电路时必须有所考虑。连接能力通常也必须考虑，因为元 器件的封装与电路板的结构通常并没有考虑探测的问题。探头也必须具有足够的带宽 和精度，保证准确地再现信号波形，抑制附近的噪声和干扰源。 第二章 测量电压1. 电压测量有两种基本的类型：单端电压测量两点电压测量准差分测量浮动示波器测量隔离测量差分探头所有的测量都是差分测量，因为电压的定义就是两点之间的。单个点的电压是通过相 对于地电位测得；这也是示波器进行测量的方法。在许多应用中，往往需要测量两点 之间的电势，而这两个点都不是接地点。现在有多种技术用于差分电压测量。我们将 对比其中的一些探测方法2. 两点电压浮动测量： 准确测量信号的差分或浮动电压是电力电子测量中最具挑战性的工作。这通常是 必要的，因为通常需要测量两个不接地点之间相应的电压。最常见的例子是 测量DC-AC变换级的图腾柱输出测量。输出晶体管将输出切换到V+ 或 V- 线。IGBT对的相关 电压是VGE和VCE。 2.1 单端测量绝对不可能如果需要测量擜“与“B”点的电压差将会发生什么？2.2 差分输入保证安全测量 两点测量技术如真差分，准差分，和隔离探头技术保证安全地测量浮动电路。 所有的差分测量技术都能够测量两个输入点之间的电位差。请注意任何测量点都与地 没有关联。而单端测量是不可能的因为六个晶体管的管脚都未接地。 2.3 差分术语定义：差模电压（Vdm）： V+与V-之间的差值，需要的信号共模电压（Vcm）：对两个输入一致的电压，需抑制的信号 需要测量的电压称为差模电压VDM，它是桥电路中上端IGBT管的VGE。这一电 压成分依靠（浮动）于一个与地相关的电位之上。因为这一参考电位对两个输入相同 ，所以它被称为共模电压或VCM，VCM是电桥的输出。差分放大器的输出是差模电压乘以放大器电压增益。理想的差分放大器输出中将不包含任何共模信号成分。这一特 性称为共模抑制。 3 共模抑制比（CMRR）共模抑制比（CMRR）是差模增益与共模增益之比。 差模增益A共模增益Vcmo/VcmiCMRR=A*Vcmo/Vcmi 不幸的是，没有任何差分放大器是理想的。对于差分放大器能够滤除共模成分能 力的表征是共模抑制比（CMRR）。CMRR是差模增益与共模增益之比。CMRR是频 率的函数，通常在DC时达到最大值。如：如果10V，60HZ的正弦信号以共模方式加 在增益为10的差分放大器的输入端，如果60HZ的输出是0.1V，那么60HZ的共模抑制比是1000:1或者说60dB 。高的CMRR将具有强的抑制能力。 3.1 CMRR指标 实际的CMRR将随不同的场合变化CMRR特性是为进行比较在理想情况测得 更高的数字意味着更高的性能 实际的CMRR性能会受到各种应用的影响。指标是通过将两个输入短接，加入正 弦波激励测得。在电力电子测量中，共模测量有不同的驱动阻抗和非正弦的共模成分 。CMRR性能通常在频域定义，经常使用50/60Hz作为基准共模测量频率，因为它直 接与电源频率抑制相关。但是，在开关模式的应用中，共模信号在时域定义更加简单 。3.2 CMRR在开关电路中 另外一个需要记住的关系是CMRR随频率增加而下降，随频率增加馈通量越大 。 例如，马达驱动器DC-AC变换器高边开关中，Vgs或Vbe控制电压包含一个共模成 分每一毫秒以切换频率开关几百次。这些边沿包含高于切换频率的成分并且将通过一 个差分测量系统。准确预知差分系统对快速共模瞬态的响应非常困难。比如，CMRR 性能是随输入信号直流偏置变化的函数。一个具有100伏直流偏置的1MHZ正弦波将比同样的地对称的正弦波馈通更大。这些细微的变化将使分析计算更加困难。 3.3 开关电源应用实例 我们使用商用离线开关电源作为实例，演示几种功率测量。120V交流供电经整流 为直流浮动线。FET开关管通过变压器将功率传送到输出整流/滤波器。门控电压由一个反馈电路馈回输出电压值而产生。由于FET是浮动的，所有点的电压都必须差分测 量。 4. 准差分测量 最常用的差分测量技术是每一示波器都具有的准差分功能。在模拟示波器中， 两个独立的输入放大器在一个加法放大器中进行相减。数字示波器中，两个输入放大 器的输入 都由A/D变换器数字化。微处理器将信号值相减。由于每一输入放大器都必 须在其线性区独立工作，输入电压范围将受到他们动 态范围的限制。对模拟示波器， 这大约是20倍垂直分度。如果示波器设为每格1V，那么每一信号将被限制在20V之内。这也许过于严格。如果差分信号的共模成分幅度为1000V，信号就必须以每格50V 来观察信号，这对控制或动态范围分辨率就不 够了。简而言之，每一通道的输入范围 都依据共模成分而不是差模成分确定。对数字示波器，AD转换器量程通常按照810格垂直分辨率确定。每一边都不能超过这一AD量程，所以这大约将相应模拟示波器的量程减少一半。 实际上，共模抑制性能一般已使用这一技术。示波器的输入精度一般不超过1。 这意味着在准差分模式两个独立的放大器的直流CMRR将小于100:1（40dB)，CMRR 还将会随频率增加而减小。外衰减探头一般也会大大减小CMRR性 能。数字示波器还 另外有两个AD转换器传递函数的差异。一些示波器会使用交替或断续方式使用同一 AD，由于两个信号不是在同一时间点采样，所以这也将降低高频CMRR。4.1 准差分测量实例1 在上图中，通道1测量FET的漏极电压，通道2在测量源极电压，并且都与地相关、计 算出来的波形通过通道1减去通道2得出，得到需要的结果（Vds）、 4.2 准差分测量实例2 在上图中，通道1移向FET的栅极来测量Vgs。由于两个通道的差很小，不可能 通过波形相减得到结果。示波器与地电平相接示波器与地线断开“浮动”5. “浮动”测量 有时使用一个不安全的测量技术：将示波器从保护地线浮动起来。而交流供电的示 波器是必须与地线相接的。探头的地线与示波器的机壳电气相连，从而接到地电位。 鲁莽的使用者试图通 过切断标准三头AC插座地线的方法切断这种连接。这种方法其 实并不可行，因为在建筑物的布线中中线也许在某处已经与地线相连。另一种方法是 使用一个交流隔离变压器，切断中线与地线的连接。我们将使用一个马达驱动电路来 演示这一技术。 5.1 马达驱动测量的实例 马达驱动电路的输出级包含了电力电子电路的大多数种类的元件。3相交流供电 经整流为约600V浮动直流电。接地的控制电路部分产生脉宽调制（PWM）门驱动信 号，通过隔离驱动加到输出桥电路晶体管（此处为IGBT）。每一输出点以PWM的频 率切换与直流总线。 测量栅漏级信号电压意味者抑制这些总线瞬变。另外，很小的 尺寸，快速的di/dt变化率，并且接近运转的马达都将引起严酷的EMI环境。5.2 浮动示波器测量实例 上图示出切断示波器的地线的结果，测量IGBT的栅漏电压。Ref1是低边栅漏电压，通道2是高边电压。非常明显的振铃是因为由示波器电路与地线间的大塑料电容造成的。 5.3 结论： 永远不要浮动示波器! 请记住： 永远不要切断或者断开示波器的那第3根接地线!这非常危险这将影响测量会毁坏示波器由于大容性负载会毁坏待测设备 请选择安全的方法! 6、 隔离6.1 探头隔离器 探头隔离器提供只是浮动探头及部分信号处理电路的方法实现安全的电气隔离。 隔离器浮动的部分通常使用电池供电， 差分信号加在隔离探头的端部和参考线之间 。隔离器将差分信号通过通过光纤或者变压器传送到接地的接收端。这种连接的调制 技术非常复杂因为必须同时传送输入信号的交流与直流成分。接收端的信号是一个接 地的与差分输入信号成正比的信号，所以可以与任何示波 器相连。尽管也存在分布电 容，但系统CMRR性能远远高于准差分测量。隔离器通常提供几种增益设置。多通道 隔离器可以提供独立参考线的多通道隔离。光纤隔离系统提供远距离（如200米）的 隔离。6.2 光纤隔离探头实例 如果使用隔离器测量相同的栅漏电压，振铃明显减小许多，尤其是在低端IGBT（Ref1）。上图中垂直刻度是5V/格。 6.3 隔离示波器 电池供电示波器可以安全地切断探头地与地线的连接。示波器的外壳与地线隔 离，使用户安全地手持仪器。一些双通道示波器提供两个独立的相互电气隔离通道和 参考点，可以进行两个浮动测量。 6.4 隔离示波器实例上图由泰克THS720手持示波器得出。上一踪是低端IGBT的VGE，下一踪是高端IGBT的VGE，请注意只有少量共模馈通。 7. 差分探头7.1 差分探头实例 差分探头可以提供隔离探头相同的性能，并且具有更高的性能。其核心是差分放大电 路放大差分成分，抑制共模信号。一般差分放大器是接地的。 差分放大器具有多种形式，但是在电力电子应用中可分为2类。有源探头是能够提 供高度通用性的独立探头。它们可以提供一或二个衰减倍数，如：50X或500X，这是差分输入幅度到单端输出信号的衰减倍数。输入的和端是固定的，较少的衰减倍 数选择通常不是问题，因为是针对特定的应用要求。离线电源电路具有类似的共模电 压范围，控制和接通状态电压 。有源差分放大器与单独的探头相比，提供了更高的带 宽和更好的特性。一般体 积较大，功率较大需要交流供电。放大器提供了较宽的衰 减选择和增益设定。并且可以与多种外接衰减倍数的探 头相连，提高应用性能。 7.2 差分探头与隔离器的对比 第32页差分放大器平衡输入阻抗可互换接线不影响测量探头隔离器无到地直流泄漏直流CMRR无穷大 输入电压能力各种产品都不尽相同。由于输入探头和引线是平衡设计，差分探头/放大器在实际测量中通常可以得到最好的CMRR特性。 7.3 差分探头实例 使用两个差分放大器测量的高边IGBT栅漏驱动电压。上一踪是VCE，刻度是100V/格 ，下一踪是VCE，刻度是5V/格。 7.4 差分技术 有一个最简单的方法可以确定是否给定的测量点适合使用差分探头：1. 将差模边沿加在差分探头的两个输入（和）2. 交换和极的接线3. 看一下是否信号只是反转 因为CMRR和待测电路的负载都会降低测量精度，最实用的方法是将差分测量 系统的两个输入端都与待测装置的相应点连接。相对你需要测量的差模信号的馈入共 模是什么？是否适合你的应用？当反接差分探头时，波形是否反转？仔细观察共模瞬 变的位置。如果结果不是仅仅反转，那么和输入阻抗有差异，将降低共模抑制性 能。 这里有几点使输入引线噪声最小的方法： 使和输入平衡（双绞线）和输入阻抗应相等将外部噪声引入共模回路 一般都会将引线绞和在一起进行差分测量。这样会使探头输入与地之间的 分布电容相等，从而减小噪声。但是这只是对输入阻抗相等的差分放大器有效 。 7.5 总结7.5.1 隔离器的优点隔离器可以提供以下优点： 通常比差分探头灵敏度更高提供电气绝缘提供物理隔离 但是：共模电压被限制在安全手持水平 7.5.2差分放大器的优点 差分放大器可以提供： 最小寄生电容对待测装置的对称负载第三章 测量电流 第二个话题是电流测量。为准确地测量电流，我们需要一个变送器准确地 将电流信号转为电压。电流变送器可分为以下几种： DC/AC分流器万用表电流分流器非感性电流测量电阻嵌入传感器电气绝缘交流电流变压器直流传感器一 分流器 分流器1 分流器需要断开电路，DMM电流表是最常见的分流器，带宽较低但精度较高。 可以将分流电阻设计为非感性的以提高系统带宽。 分流器2 分流器有以下优缺点： 优点同轴提供最高的精度 缺点 结构上需要断开电路增加分布阻抗可能会影响电路操作会降低峰值电流需要差分电压测量电气隔离技术可以提供更大的灵活性，因为它们不需要切断电路。目前最常见 的技术是使用变压器测量交流电流，使用霍尔效应传感器测量直流电流。二 电流变压器 基本模式：输出电压输入电压/n*终端电阻 铁芯饱和将限制线性输入范围无直流输出直流成分影响动态性能 电流变压器（CT）是一种交流器件，由于所有变压器都使用铁芯，直流成分将造成CT铁芯的饱和，或使CT非线性。 交流电流探头 使用分离铁芯可以方便地用钳形测量探头输出为BNC头，驱动特定的阻抗时，具有特定的变比（mV/mA） 无源产品无需外加电源 提高灵敏度 三 霍尔效应器件 直流电流传感器 嵌入铁芯的霍尔器件将产生与测量电流直流成分成正比的直流电压有源产品需要外加供电将CT与霍尔器件结合可以提供宽带交直流电流测量 四 霍尔效应器件与变压器结合 直流/交流探头系统 除了提供交直流传感器供电外，有源电子电路：DC偏置电流消除铁芯饱和的直流成分 很宽范围的转换增益，单只探头提供从毫安到安培的高灵敏度 带宽限制，交流耦合，输出偏置等 五 电流测量能力和带宽 电流测量能力 交流和直流探头都有自己的电流测量能力交流探头 最大连续交流峰峰值电流与频率有关 最大允许直流电流一般比允许的交流电流小的多 直流/交流探头最大连续交流峰峰值电流与频率有关 直流电流由偏置能力限制 两种探头都会受到脉冲安培秒乘积的限制 电流探头的选择与电压探头的选择类似。电流测量能力，带宽/上升时间，阻抗，连接形式等是一些需要考虑的重点参数。 电流测量能力随频率下降交流探头都有最大允许直流电流的限制防止铁芯饱和。电流频率曲线与探头 的带宽或频率曲线不同，多种增益的交流探头每一增益范围的曲线也不相同。 安培秒乘积 另外对交流探头的限制是安培秒乘积。这是： 对脉冲测量能力的限制脉冲的幅度与时间的乘积（下图），单位为安培秒引起铁芯饱和，输出非线性 当电流脉冲宽度增加时，其效果类似直流电流。另外，电流秒乘积也定义了单 次信号的测量能力。 如果不超过安培秒乘积，脉冲幅度可以超过最大峰值交流值。例如： A6021交流探头最大峰峰值交流电流15安培RMS最大安培秒乘积500 x 10-6 A-sec 尽管其交流电流1kHz时为最大15安培，但如果不超过500 x 10-6 A-sec的乘 积，可以测量最大250安培的脉冲电流 电流探头带宽 高频带宽与上升时间的关系类似电压探头。 交流探头的低频带宽定义了下降时间常数 t t = 1/2pf3dB 其中f是带宽 单极型： e -t/t 衰减电流探头带宽 交流探头也提供了低频带宽或时间常数。脉冲或阶跃响应按照指数函数衰减。 衰减百分数是时间t的函数，可以由公式200f-3db t算出。作为经验，脉冲宽度应该小于1/10 到 1/100 的探头时间常数避免显示衰减。但是，如果明显有显示衰减，通过测量脉冲的 前沿或后沿仍然可以得到电流的峰值。 带宽实例 当使用交流探头或CT测量50或60Hz工频线电流时必须考虑其它一些因素。尽 管交流探头或CT可以经过校准得到准确的幅度读数，但是低频滚降将引入输出的相移。如果电流波形与无相移的电压波形进行计算得出功率，计算结果将产 生错误。 电路连接能力实例最大导线尺寸 CT2探头 1.3 mm (0.05 in.)CT-4 探头38 mm (1.5 in.)裸线电压限制 A6302 探头500 VCT-4 探头3 kV电缆长度A6302 探头2 mA6302XL探头8 m第四章 电力电子测量 本部分将讨论各种测量电压电流和功率参数的方法。数字示波器（DSO） 是主要的测量工具，将消除模拟示波器数格或面积的烦琐而容易错误的测量。 数字示波器也提供独特的触发与过滤能力简化电力电子测量。特殊数学信号处 理器的使用不但可以提供实时波形显示与运算。快速傅立叶变换（FFT）功能 更提供了便宜的频谱分析用以谐波或噪声分析。 一 数字示波器基础 数字示波器选择指南： 采样率最小是测量模拟信号带宽的5倍 一般对信号沿必须采集5个点；如：100纳秒的跃变需要最少50MS/s的 采样率单次信号的记录时间与记录长度成正比 当今大多数的示波器都针对高速数字电路设计，人们关注的主要性能是带宽， 采样率，和记录长度。这些指标对电力电子测量有实际意义吗？一般说来，带宽是基 本的要求。但是瞬态带宽与上升时间也相关。DSO的上升时间应该至少是信号上升时 间的5倍。如果上升时间是100ns，那么示波器的上升时间应该最高信号频率成分一般尽可能选择最长的记录长度（尽管将减慢计算速度）了解频率分辨率 = 采样率/记录长度FFT工频电流谐波 通过AM 503S测量进入开关电源的电流频谱。上部的波形是电流波形。下部的波形是 FFT结果，显示幅度与频率的关系。采样率是50kHz，记录长度为50,000点。FFT的 频率分辨率为1HZ，是两个点之间的间隔。60HZ基波和谐波的相对电流值可以进行测量。FFT输出的每一点的电平等于该频率点的RMS值。电流探头的转换系数对所有点 定标，得到时间RMS值电流。如：TDS计算出最大电流（基波）为362mA。 你应当尽量在时域捕捉整数个周期的波形。 FFT - 电压谐波畸变 FFT可以通过计算所有谐波成分相对