Измерение КПД силовых схем


PDF версия

Мы начинаем цикл статей, в которых инженеры делятся оригинальными схемотехническими решениями. В данной подборке описан метод измерения КПД силовой схемы без применения мощного источника питания и эквивалентной нагрузки, а также приведены схемы точного измерения тока и удвоителя напряжения без использования катушки индуктивности.

Эффективность или КПД силовой схемы [1] — важнейший параметр для оценки производительности устройства и подбора охладительной системы. На рисунке 1 изображен традиционный способ расчета КПД. Измеряется мощность на входе Pin и выходе Pout, после чего находится их отношение:

Рис. 1. Классический способ измерения КПД

Измеренная входная мощность равна выходной мощности плюс мощность потерь.

Для измерения КПД мощных схем, которые питают такие устройства как электродвигатели, генераторы или промышленные ЭВМ, требуется мощный источник и эквивалентная нагрузка. При единичных измерениях это дорого и неоправданно. В этой статье предлагается другой подход (см. рис. 2), при котором источник должен иметь выходную мощность, равную мощности потерь. Выходные выводы закорочены.

Рис. 2. Предлагаемый способ измерения КПД

Схема управления вырабатывает реактивную мощность и поддерживает требуемую амплитуду и частоту входного и выходного токов. Биполярные транзисторы с изолированным затвором и магнитные элементы контролируют уровень потерь в системе, который есть функция амплитуды и частоты входного и выходного токов. Для определения требуемого входного и выходного токов необходимо рассчитать коэффициент мощности схемы, обратную ЭДС двигателя и напряжение питания системы.

IROUT = IROUT_RE + jIROUT_IM =

;

IRIN = IRIN_RE+jIRIN_IM =

,(1)

где IROUT — требуемый выходной ток; IRIN — требуемый входной ток; PRIN — требуемая входная мощность; POUT — выходная мощность в условиях теста; VBEMF — обратная ЭДС двигателя; VGRID — линейное напряжение; ηE — ожидаемый КПД схемы.

Если входной ток равен IRIN, а выходной IROUT, измеренная действительная входная мощность будет близка к мощности потерь PLOSS при данном уровне выходной мощности POUT. Таким образом, КПД вычисляется следующим образом:

Если полученное значение не совпадает с ожидаемым ηE, то в уравнение (1) надо подставить измеренный КПД η, и повторять измерения до тех пор, пока значения η и ηЕ не совпадут.

Этот метод используется в компании Calnetix для оценки КПД схем с выходной мощностью 125 кВт. Как показали сравнения, при традиционном методе оценки получается практически такой же результат.

Многие мощные силовые системы имеют высокий КПД, т.е. активная составляющая тока намного больше реактивной. Для уменьшения фазового тока IRIN можно подключить вторую такую же схему, как показано на рисунке 3. При этом входной реактивный ток, создаваемый измерительной установкой, смещается. За счет уравнительной мощности источник питания должен обеспечивать только мощность потерь, а не полную мощность силовой схемы. Входной ток во второй схеме (см. рис. 3) имеет вид:

IRIN= IRIN_RE + jIRIN_IM.

При токе на входе первой схемы IRIN1 ≈ IRIN_RE − jIRIN_IM, ток источника равен ISOURCE = IRIN1 + IRIN ≈ IRIN_RE + IRIN_RE + j(IRIN_IM – − IRIN_IM) = 2IRIN_RE. В схеме используется входной ток от источника с тем, чтобы избежать потерь в обеих схемах и упростить измерительную установку.

Рис. 3. Схема с компенсацией

Измерение тока с компенсацией погрешности

Иногда нужно измерить большой ток нагрузки (несколько ампер) при существенном синфазном напряжении (например, 500 В). Это можно сделать с помощью измерителя AD8212, предназначенного для использования в высокоточных катушках или схемах управления двигателем [2].

На рисунке 4 приведена измерительная схема. С помощью внешнего резистора и pnp-транзистора выходной ток AD8212 преобразуется в напряжение, пропорциональное входному дифференциальному сигналу. Биполярный транзистор расширяет диапазон синфазного напряжения до нескольких сотен вольт, а резистор RBIAS используется для ограничения напряжения. Внутренняя схема смещения и регулятор на 5 В обеспечивают стабильное выходное напряжение на всем температурном диапазоне. Это снимает необходимость установки дополнительных внешних элементов. Падение напряжения на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, является синфазным.

Рис. 4. Принципиальная схема устройства

Из-за ненулевого тока базы IB уменьшается выходной ток AD8212, вследствие чего возникает погрешность выходного напряжения. Этот эффект компенсируется с помощью токового зеркала, которое пропускает IB в цепь обратной связи усилителя A1.

Внутренний регулятор опорного напряжения устанавливает напряжение на выводе COM на 5 В ниже напряжения питания, таким образом, схема измерителя питается от 5 В. Сопротивление RBIAS подбирается так, чтобы ток был достаточен для включения и работы регулятора. Для работы на высоком напряжении ток IBIAS следует установить на уровне 200 мкА…1 мА. Нижняя граница обеспечивает включение схемы смещения, а верхняя зависит от типа используемого устройства. Например, при напряжении питания 500 В и RBIAS =  1000 кОм, IBIAS = (V — 5 В)/RBIAS =
= 495 В/1000 кОм = 495 мкА.

Выходное напряжение схемы практически совпадает с напряжением на выводе COM плюс два VBE, т.е. VOUT ≈ V +
+ (–5 В) + 2VBE. Вместо PNP-транзистора можно использовать полевой, тогда погрешность, вносимая током базы, исчезнет, однако увеличится стоимость.

Погрешность выходного тока в зависимости от тока в нагрузке показана на рисунке 5. Видно, что использование схемы компенсации позволяет уменьшить суммарную погрешность с 1 до 0,4%. Сопротивление RL должно быть подобрано в соответствии с диапазоном входного напряжения АЦП. Так, если максимальное дифференциальное напряжение равно 500 мВ, то максимальный выходной ток равен 500  мкА, и максимальное напряжение на входе АЦП составит 5 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм.

Рис. 5. Погрешность выходного тока

Удвоитель напряжения с КПД = 96%

Удвоитель напряжения, принципиальная схема которого приведена на рисунке 6, преобразует постоянное напряжение 2,5 В в 5 В или 1,8 В в 3,3 В. Достоинство данной схемы в том, что в ней не используется катушка индуктивности [3].

Рис. 6. Принципиальная схема удвоителя

Конденсатор С заряжается через ключи SB. Пока конденсатор заряжается, ключи SA разомкнуты. В процессе разряда наоборот разомкнуты ключи SB, а конденсатор С становится включенным между входным напряжением VS и конденсатором COUT на выходе схемы. Напряжение на выходе близко к 2VS.

Переключение ключей происходит с частотой f, задаваемой генератором IC2. Рабочий цикл составляет примерно 50%, но это не критично. Две половины коммутатора ADG888 (Analog Devices) работают независимо. Резистор RP номиналом 10 Ом ограничивает пусковой ток, защищающий ключи S1,2B от перегрузки по току, которая может возникнуть при включении питания.

Операционный усилитель IC3A работает как компаратор. Когда выходной сигнал IC3A высок, ключи S3 и S4 замыкаются. Компаратор работает как логометр, поскольку опорное напряжение на инвертирующем входе равно напряжению питания VIN. Такое подключение возможно, поскольку размах выходного напряжения AD8617 равен напряжению питания. Схема IC3A обеспечивает защиту нагрузки от перенапряжения.

Во время легкого запуска напряжение в нагрузке не может опуститься ниже установленного порога. Сопротивление RL, необходимое для срабатывания защитной схемы, определяется выражением:

где m = VOUT/VIN, α — доля VOUT, при которой режим легкого запуска отключается. Для m = 2, α = 0,8 и RP = 10 Ом
RL = 160 Ом. Таким образом, если до включения питания подключить нагрузки с сопротивлением менее 160 Ом, в схеме возникнут перегрузки. Выходное напряжение IC1 переключается, когда входное напряжение равно 2VIN. При этом напряжение на выводе VDD1, задаваемое аналоговым ключом ИЛИ из диодов Шоттки D1 и D2, остается неизменным. Напряжение на выводе VDD1 равно входному, если оно больше выходного, или наоборот.

Схема была испытана при следующих параметрах: входное напряжение 2,386 В, RL = 178,46 Ом, частота f = 200 кГц, напряжение питания 2,377 В, ток питания 51,285 мА, выходное напряжение 4,588 В. В результате m = 1,929 и КПД = 96,39%.

Согласно измерениям, КПД превышает 96% на частотах 150…350 кГц. Если ключи, шунтирующие резистор RP замкнуты, падение напряжения на них равно 9 мВ. Отсюда следует, что сопротивление параллельно включенных ключей в замкнутом состоянии составляет примерно 0,175 Ом.

Литература

1 Zheng L. Methods measure power electronics’ efficiency//EDN, 29 июля 2010.

2 Tran и Mullins. Current monitor compensates for errors//EDN, 9 сентября 2010.

3 Štofka M. DC-voltage doubler reaches 96% power efficiency//EDN, 15 июля 2010.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *