Korekce fázového posunu v režii HIOKI: Klíč pro analýzu výkonu spínacích zařízení GaN nebo SiC

Zlepšení energetické účinnosti pohonných systémů pro elektrická vozidla nebo DC-DC napájecí zdroje znamená neustálé zvyšování spínacích rychlostí střídačů. Současně ale induktivní chování proudových senzorů určených právě pro měření nezbytná pro analýzu těchto střídačů vždy způsobuje fázový posun mezi napětím a proudem při měření střídavého výkonu při vyšších frekvencích. Jejich ignorování přitom může mít velký vliv na výsledky měření.

Dobrou zprávou je, že fázový posun není něco, čeho byste se museli příliš obávat, pokud frekvence zůstávají pod 10 kHz. Horší zprávou už ovšem je, že při analýze výkonu musíte brát v úvahu také harmonické, protože vysokorychlostní přepínací systémy jsou právě zdrojem harmonických vyšších řádů. Z tohoto důvodu proto zohledňovat pouze spínací frekvenci bohužel nestačí.

Jako příklad lze použít spínací prvek SiC-MOSFET se spínací frekvencí pouhých 20 kHz. Pravděpodobně budete znát spoustu aplikací založených na technologii SiC se spínacími frekvencemi mnohem vyššími než 20 kHz, ale tímto příkladem chceme ukázat, že fázový posun má měřitelný účinek i na této úrovni. Měření harmonických až do 50. řádu základní spínací frekvence je standardem pro dnešní analyzátory výkonu. Samotný fakt, že se jedná o 50. harmonickou, by na výsledek měření samozřejmě neměl nijak dramatický dopad − ale v tomto případě se již pohybujeme na frekvencích řádu jednotek MHz a zde je fázový posun jevem, který není možno zanedbat.

Je-li analyzátor výkonu používán v aplikaci pro měření přesnosti výkonu, je obvyklé používat k měření proudů senzory. Jedním z důvodů je to, že přímá měření pomocí bočníků by neposkytovala požadovanou přesnost při měření vysokých proudů na vyšších frekvencích. Každý proudový senzor na světě však vykazuje postupně se zvětšující fázovou chybu ve vysokofrekvenční oblasti v důsledku indukčních charakteristik magnetického jádra a obvodů senzorů. Navíc rozdíly v konstrukci modelů senzorů od různých výrobců způsobují, že se velikost této chyby navzájem liší.

Společnost HIOKI je jediným výrobcem řešení pro analýzu výkonu, která nabízejí skutečnou funkci korekce fáze, a to díky tomu, že jedině HIOKI navrhuje a vyrábí jak analyzátory výkonu, tak i senzory, což umožňuje analyzátoru detekovat senzor a pracovat na základě jeho charakteristik.

Nabízené analyzátory výkonu HIOKI PW6001 a PW3390 umí automaticky převzít informaci o specifické fázové chybě konkrétního proudového senzoru a rovnou v průběhu měření provést jeho korekci. Tím se výrazně zlepší fázové charakteristiky ve vysokofrekvenční oblasti a v důsledku toho sníží celková chyba měření výkonu. Pro ilustraci, jaký vliv má korekce fázového posunu na výsledky měření, byla provedena dvojice měření, a sice jednou pomocí funkce korekce fázového posunu a jednou bez této korekce. Zvoleno bylo jedno z nejčastějších nastavení střídače: jeden vodič na DC vstupu do střídače a tři vodiče na AC výstupní straně. Střídač je založen na výše uvedeném spínacím prvku SiC-MOSFET a pracuje se spínací frekvencí právě 20 kHz.

Při pohledu na měřené hodnoty účinnosti střídače a ztráty energie v něm je z obrázku 3 zřejmý jednoznačně pozitivní dopad korekce fázového posunu na výsledky měření − naměřená ztráta je nižší, a naopak měřená účinnost je vyšší. Využití korekce fázového posunu a snížení chyby způsobené tímto fyzikálním jevem zvyšují měřený výkon střídače i při této nízké spínací frekvenci o 0,1 % až 0,15 %. Ačkoliv se tyto hodnoty na první pohled nemusí jevit jako významné, každý inženýr pracující na zlepšení účinnosti střídačů potvrdí, že není možné je při jejich dalším vývoji zanedbávat – tím spíše, když se jedná o střídače pracující na vyšších spínacích kmitočtech, než tomu bylo u uvedeného příkladu.

Pro další informace o dané problematice, popř. pro možnost zapůjčení výkonových analyzátorů a proudových senzorů HIOKI prosím kontaktujte zastoupení výrobce v ČR a na Slovensku – společnost TESTOVACÍ TECHNIKA s. r. o.