首页 > 应用 > 消费电子

开发宽带高精度电流传感器

HIOKI E.E. 公司 Masayuki Harano, Hajime Yoda等 2019-04-11

在电力电子领域,尤其是汽车和铁路领域,代表电机驱动系统主要结构部件的逆变器的小型化和高效率是开发人员最重要的任务之一。由于较高的开关频率和较低的导通电阻导致较低的损耗,因此预期SiC和GaN等宽带间隙功率半导体具有较小的无源元件,从而导致其使用。jxh电子头条

 jxh电子头条

采用功率半导体构建的逆变器的开关频率将继续提高,这将需要在更宽的带宽和更高的精度下进行功率测量。本文讨论了最近开发的宽带高精度电流传感器的主要特性,并提供了与竞争产品的性能比较。jxh电子头条

 jxh电子头条

按工作原理分类电流传感器jxh电子头条

 jxh电子头条

表1显示了HIOKI的电流传感器产品分为六个操作原理。Hioki CT6904代表磁通门元件类型。jxh电子头条

 jxh电子头条

1.jpgjxh电子头条

表1.按工作原理分类的电流传感器。jxh电子头条

 jxh电子头条

使用电流传感器方法进行高精度功率测量jxh电子头条

 jxh电子头条

为了使用电流传感器方法实现具有高重复性的高精度功率测量,重要的是使用以下标准作为选择适当电流传感器的条件[1]。jxh电子头条

 jxh电子头条

(1)电流传感器的额定电流与DUT的电流水平相匹配。jxh电子头条

 jxh电子头条

(2)DUT的电流开关频率和包括谐波在内的所有频率分量都在电流传感器的可测量频率带宽内jxh电子头条

 jxh电子头条

(3)电流传感器的测量精度在其整个可测量的频率带宽上定义,并且精度足够高。jxh电子头条

 jxh电子头条

(4)关于电流传感器的输出噪声,温度特性,导体位置的影响,外部磁场的影响,磁化率,共模电压的影响等的不确定性被明确定义并且足够小。jxh电子头条

 jxh电子头条

特别值得注意的是,关于条件(3),许多通用电流传感器仅为DC和50 / 60Hz信号定义精度,而所有其他频率的精度仅用于典型参考。当使用电流传感器方法高精度测量功率时,必须特别注意选择功率分析仪[2]和具有适当性能水平的电流传感器。jxh电子头条

 jxh电子头条

为下一代电力电子技术开发宽带高精度电流传感器jxh电子头条

 jxh电子头条

在超过40年的时间里,HIOKI使用专有技术开发了高性能电流传感器[3]。其最新开发的产品是CT6904交流/直流电流传感器,可提供更高的性能,以满足下一代电力电子应用的需求。表2提供了CT6904(800A)的主要规格。jxh电子头条

 jxh电子头条

A)新的CT线圈结构jxh电子头条

 jxh电子头条

图2显示了新开发的反对分裂线圈技术的新CT线圈结构。该技术通过利用围绕磁芯的相对布置的分裂绕组来增加电流的测量带。通过优化线圈绕组,减小了导线之间的寄生电容并改善了频率特性。jxh电子头条

 jxh电子头条

B)电路架构jxh电子头条

 jxh电子头条

图3显示了CT6904 AC / DC电流传感器的架构。与传统产品(例如,Hioki CT6862)一样,该仪器使用磁通门方法,该方法利用磁性材料的BH特性的非线性来检测磁场。该方法提供高灵敏度和极高的温度稳定性,通常用于检测基于地磁的方向。jxh电子头条

 jxh电子头条

2.jpgjxh电子头条

表2. CT6904(800A)的主要规格。jxh电子头条

 jxh电子头条

4.jpgjxh电子头条

图1.频率降额特性。jxh电子头条

 jxh电子头条

5.jpgjxh电子头条

图2. CT线圈结构jxh电子头条

 jxh电子头条

[实心屏蔽]铝屏蔽加工成独特的形状,以消除对电流测量的影响。jxh电子头条

 jxh电子头条

产生由三角波组成的激励电流(f = 10.4kHz),以使磁芯饱和,在该磁芯周围缠绕反馈线圈。当要测量的电流在这些条件下流动时,仪器通过产生的磁通量对绕组中感应的电压波形的变化进行差分检测。通过使用与激励电流同步的2f信号执行该检测信号的同步检测,可以获得通常与被测量的电流成比例的输出信号。然而,因为磁通门在存在导致其磁芯饱和的大磁场的情况下遭受降低的灵敏度,所以我们通过添加负反馈电路来结合称为零通量方法的设计。jxh电子头条

 jxh电子头条

6.jpgjxh电子头条

图3.电路架构jxh电子头条

 jxh电子头条

C)方框图jxh电子头条

 jxh电子头条

图4提供了框图。为了达到仪器的基本电流测量精度,远远超过传统传感器,我们通过仔细选择磁性材料并优化磁通门激励电路滤波器的设计来降低噪声。此外,采用具有优异温度特性和长期稳定性的新型电子元件,可用于输出模块的差分电路,从而提高了稳定性。jxh电子头条

 jxh电子头条

7.jpgjxh电子头条

图4.框图jxh电子头条

 jxh电子头条

D)屏蔽结构jxh电子头条

 jxh电子头条

图5显示了CT6904的屏蔽结构。通过使用由铝制成的独特形状的实心屏蔽完全屏蔽对置的分离线圈,我们能够实现宽带宽和出色的抗噪声性能。这允许精确测量而不受周围电压的影响。jxh电子头条

 jxh电子头条

8.jpgjxh电子头条

图5.屏蔽结构jxh电子头条

 jxh电子头条

示例特征jxh电子头条

 jxh电子头条

图6至图14显示了CT6904的典型特性示例。与传统产品或竞争产品相比,该仪器具有极其有利的特性,包括频率特性(相对于增益和相位),CMRR和导体位置的影响。jxh电子头条

 jxh电子头条

A)频率特性jxh电子头条

 jxh电子头条

图6显示了其频率特性的示例。通过在闭环电流传感器中利用新的CT线圈结构,其中反馈电流流到反馈绕组,以便连续地将测量电流产生的磁场归零,我们能够实现宽4MHz频率带宽。jxh电子头条

 jxh电子头条

9.jpgjxh电子头条

图6.频率特性的示例。jxh电子头条

 jxh电子头条

图6中显示的相位值说明了HIOKI PW6001功率分析仪的相移功能激活时的差异。下面将描述电流传感器的相移功能。高精度电流传感器倾向于呈现相位误差分量,该相位误差分量与频域的高频部分中的频率成比例地逐渐增加,结果是对于具有低功率因数的高频测量目标,测量精度可能劣化。 。PW6001的相位特性移位模块实时执行专有信号处理,以校正5 MS / s电流波形的相位特性。jxh电子头条

 jxh电子头条

通过从传感器的测试结果输入频率和相位误差值来配置电流传感器相位特性信息。仪器确定时间延迟,该时间延迟是根据输入频率和相位差计算的,并执行处理以转换到等效时间。这种方法可以根据每个传感器的特性对HIOKI的各种电流传感器进行最佳校正[4]。jxh电子头条

 jxh电子头条

B)与竞争产品的性能比较jxh电子头条

 jxh电子头条

图7和图8中的频率特性图提供了CT6904与HIOKI 9709(500 A额定电流,100 kHz频率带宽),竞争对手A(600 A额定电流,500 kHz频率带宽)之间的增益和相位不确定性的比较)和竞争者B(600 A额定电流,300 kHz频率带宽)。jxh电子头条

 jxh电子头条

10.jpgjxh电子头条

图7.增益不确定性的频率特性比较。jxh电子头条

 jxh电子头条

11.jpgjxh电子头条

图8.相位不确定性的频率特性比较。jxh电子头条

 jxh电子头条

由于竞争传感器都是电流输出传感器,因此需要通过宽带分流电阻进行IV转换。使用FRA(频率响应分析仪)测量频率特性。如比较结果所示,与竞争对手相比,CT6904具有极高的平坦度,最高可达1 MHz。([相移点] CT6904:300 kHz; 9709:20kHz;竞争对手A:100 kHz;竞争对手B:10 kHz)jxh电子头条

 jxh电子头条

C)CMRR和卓越的抗噪声性jxh电子头条

 jxh电子头条

图9显示了相对于共模抑制比(CMRR)的频率特性。通过使用由铝制成的实心屏蔽完全屏蔽对置的分离线圈,我们能够实现极宽的测量带宽和抗噪声性能。例如,传感器在100 kHz时提供120 dB(1/1百万)的CMRR,使其能够准确测量,对周围电场的敏感度较低。与传统的直通电流传感器相比,它提供了至少40 dB(1/100)的卓越CMRR。jxh电子头条

 jxh电子头条

12.jpgjxh电子头条

图9.与CMRR有关的频率特性。jxh电子头条

 jxh电子头条

为了证明其高抗噪性,用图10所示的配置进行了实验,测量结果的一个例子如图11所示。在图11中,最上面的黄色波形是电压波形,另一个是四个波形是三相输出电流波形。从结果可以看出,CT6904的噪音明显低于竞争对手A和B.作为参考,还显示了HIOKI PW9100的特性。PW9100是直接接线型电流传感器[5]。jxh电子头条

 jxh电子头条

13.jpgjxh电子头条

图10.抗噪声比较的实验配置。jxh电子头条

 jxh电子头条

14.jpgjxh电子头条

图11.抗噪声比较结果。jxh电子头条

 jxh电子头条

D)不受导体位置影响的测量重复性jxh电子头条

 jxh电子头条

图12示出了内芯上的导体位置(A至F:位置)。图13和图14比较了CT6904的导体位置与竞争对手传感器A和B的导体位置的影响。如图所示,CT6904在100kHz时为输入电流提供了出色的增益和相位特性。jxh电子头条

 jxh电子头条

15.jpgjxh电子头条

图12.内芯上的导体位置。jxh电子头条

 jxh电子头条

16.jpg jxh电子头条

图13.导体位置(增益)的影响。jxh电子头条

 jxh电子头条

17.jpgjxh电子头条

图14.导体位置(相位)的影响。jxh电子头条

 jxh电子头条

高精度高精度电抗器测量所需的性能jxh电子头条

 jxh电子头条

电感是决定电抗器阻抗的主要因素。从功率测量的角度来看,测量的特点是功率因数低。简而言之,电压和电流之间的相位差接近90°。如图15所示,仪器的电压和电流测量系统之间的相位误差对测量值的影响大于以高功率因数进行测量时的影响。因此,测量系统必须具有高度的相位精度。jxh电子头条

 jxh电子头条

18.jpgjxh电子头条

图15.不同功率因数下相位误差和有功功率误差之间的关系。jxh电子头条

 jxh电子头条

此外,反应器的切换频率范围从几十kHz到几百kHz。如上所述,SiC和GaN元件的商业化导致开关频率上升的趋势,并且必须在如此高的频率下使用具有高相位精度的测量仪器。此外,在使用电流传感器时,有必要考虑电流传感器的相位误差。jxh电子头条

 jxh电子头条

此外,对于诸如DC / DC转换器中的升压斩波器电路的电抗器损耗的测量,当测试电压和电流时,将产生大的共模电压。因此,有必要使用具有高CMRR的仪器。此外,传统观点认为测量反应堆损失是一个困难的过程,因为它需要一种在许多领域表现出高水平性能的仪器。使用PW6001可以满足这些要求。jxh电子头条

 jxh电子头条

示例应用jxh电子头条

 jxh电子头条

A)逆变器的高精度和高效率测试jxh电子头条

 jxh电子头条

图16提供了如何测量逆变器驱动电机效率的实验配置,以及PW6001和电流传感器的配置方式。逆变器输出功率的主要组成部分包括基频分量(最高2 kHz),其谐波分量,开关频率(5 kHz至100 kHz)及其谐波分量。其中,基频成分占主导地位。图17显示了逆变器输出的线电压波形,线电流波形以及典型电机驱动系统的相关FFT结果。jxh电子头条

 jxh电子头条

19.jpgjxh电子头条

图16.测量逆变器驱动电机的实验配置。jxh电子头条

 jxh电子头条

查看电压FFT结果,可以观察作为线电压PWM波形及其谐波的主要分量的基波,以及开关频率及其谐波分量。存在至少0.1%fs的频谱,直到大约2MHz。jxh电子头条

 jxh电子头条

对于电流波形,也可以观察到基波,其谐波,开关频率及其谐波分量。然而,在100kHz及以上频率下观察到的频谱低于0.1%fs,并且随着频率增加,电流水平突然下降。这种现象可以通过考虑连接到逆变器的电动机的等效电路作为负载来解释。电动机的绕组可以被认为是由负载串联的电阻和电感组成的RL负载。因此,阻抗在高频下增长,使电流更难流动。jxh电子头条

 jxh电子头条

类似地,如果我们查看RL负载功率的功率因数(cosθ),当频率较低时功率因数接近1,例如基波及其谐波。然而,感应电抗在高频率(例如开关频率及其谐波)中占主导地位,因此电流呈现滞后相位,从而导致低功率因数。jxh电子头条

 jxh电子头条

图18的下半部分提供了逆变器输出电压和电流波形直到开关频率区域的时间轴的放大视图。电压波形是三角形。显然,如上所述,它们的相位关系的特征在于电流的滞后相位,导致低功率因数。jxh电子头条

 jxh电子头条

19.jpgjxh电子头条

图17.波形和FFT结果jxh电子头条

 jxh电子头条

21.jpgjxh电子头条

图18.逆变器输出波形的放大视图。jxh电子头条

 jxh电子头条

逆变器输出有功功率的主要部件的特性总结如图19所示。jxh电子头条

 jxh电子头条

22.jpgjxh电子头条

图19.逆变器输出有功功率的主要组成部分及其特性。jxh电子头条

 jxh电子头条

B)反应堆/变压器损耗分析jxh电子头条

 jxh电子头条

图20提供了如何测量DC / DC转换器中升压斩波器电路的电抗器损耗以及如何配置PW6001和电流传感器的实验配置。通过PW6001直接测量施加到反应器的电压和电流,并计算功率和损耗。使用这种方法测量的功率代表反应堆盘管和铁心的功耗之和,使得可以测量整个反应堆的损失[6]。jxh电子头条

 jxh电子头条

23.jpgjxh电子头条

图20.测量DC / DC转换器中升压斩波器电路的电抗器损耗的实验配置。jxh电子头条

 jxh电子头条

图21显示了当电抗器以100 kHz切换时测量电抗器的电压和电流波形的示例。使用传统电流传感器(9709或竞争对手B)测量的电流波形可能会在切换时与高频共模电压噪声叠加,但使用CT9604时,不会出现这种共模电压噪声,导致能够看到异常清晰的三角形电流波形。jxh电子头条

 jxh电子头条

传统上,为了最大化带宽,我们使用接近100kHz的LC谐振现象,这产生振荡信号和共模噪声。相比之下,CT9604的4MHz带宽中的足够余量和至少CMRR = 120dB的出色噪声电阻在避免此问题时非常有效,而无需滤波器。jxh电子头条

 jxh电子头条

23.jpgjxh电子头条

图21.测量电抗器开关波形的示例(100kHz开关频率)。jxh电子头条

 jxh电子头条

最后,PW6001和CT6904的配置图如图22所示。除了本文的应用之外,我们的产品有望解决许多客户问题。jxh电子头条

 jxh电子头条

24.jpgjxh电子头条

图22. PW6001和CT6904。jxh电子头条

 jxh电子头条

结论jxh电子头条

 jxh电子头条

本文讨论了具有开创性能力及其实用性的电流传感器的开发。作为应用示例,描述了DC / DC转换器电抗器的损耗测量。传统上,高精度地测量电抗器损耗非常困难,但使用PW6001和电流传感器,现在可以轻松实现高精度测试。在电力电子领域,频率将继续增加,同时需要对电源效率和其他因素进行高精度分析。HIOKI对通过开发先进的测量仪器为工业社会的发展做出贡献的能力充满信心[7]。jxh电子头条

 jxh电子头条

参考jxh电子头条

 jxh电子头条

[1] H. Yoda,H。Kobayashi和S. Takiguchi,“在电力电子领域提供高精度功率分析的电流测量方法”,Bodo's Power Systems,pp.38-42,2016年4月。jxh电子头条

[2] H. Kondo,C。Yamaura,Y。Saito和H. Kobayashi,“评估高效电机驱动时的相位校正的有效性”,Bodo的电力系统,第44-49页,2017年11月。jxh电子头条

[3] K. Ikeda和H. Masuda,“高精度,宽带,高稳定电流传感技术”,Bodo's Power Systems,pp.22-28,2016年7月。jxh电子头条

[4] H. Yoda,“Power Analyzer PW6001”,HIOKI技术说明,第一卷。2016年第1期。jxh电子头条

[5] H. Yoda,“AC / DC Current Box PW9100”,HIOKI Technical Notes,Vol。2017年第3期。jxh电子头条

[6] K. Hayashi,“高频电抗器损耗的测量”,Bodo的电力系统,第18-22页,2017年2月。jxh电子头条

[7] Masayuki Harano,Hajime Yoda,Kenichi Seki,Kazunobu Hayashi,Tetsuya Komiyama和Shuhei Yamada,“为下一代电力电子应用开发宽带高精度电流传感器”,能源转换大会和博览会(ECCE),2018年IEEE,第3565-3571页。jxh电子头条