Приборы и методики измерений для разработки и производства источников питания, инверторов и преобразователей AC/DC, DC/DC, DC/AC, AC/AC

Краткое вступление

В этой статье мы расскажем о современных приборах и методиках измерений, которые применяются при разработке, исследовании и производстве источников вторичного электропитания с мощностью от долей ватта до сотен киловатт.

Информация, представленная на этой странице, будет полезна инженерам, работающим над проектами импульсных и линейных источников питания, инверторных преобразователей, стабилизаторов напряжения, источников бесперебойного питания, станций заряда электромобилей, интеллектуальных приводов электродвигателей и любых других устройств, выполняющих преобразование электроэнергии.

Для удобства весь текст разделён на тематические разделы:
- лабораторный блок питания на входе
- электронная нагрузка на выходе
- измерения в точке подключения к сети переменного тока (AC)
- измерение характеристик внутренних компонентов источника питания
- измерения в точке подключения к сети постоянного тока (DC)
- измерения между входом и выходом источника питания
- проверка электробезопасности источника питания

Приборы и методики измерений, описанные в этой статье используются при работе с источниками вторичного электропитания и преобразователями всех типов: AC/DC, DC/DC, DC/AC и AC/AC (сокращение AC означает Alternating Current, то есть переменный ток, а DC означает Direct Current, то есть постоянный ток).

Лабораторный блок питания на входе

Для работы с прототипом разрабатываемого источника питания, к его входу необходимо подключить лабораторный блок питания достаточной мощности с возможностью регулировки напряжения. Тип выходного напряжения (постоянное или переменное) зависит от первого каскада разрабатываемого источника питания. Для преобразователей DC/DC и DC/AC понадобится блок питания постоянного тока, а для AC/DC и AC/AC переменного (однофазного или трёхфазного).

Лабораторный блок питания на входе разрабатываемого прототипа решает следующие задачи: регулировку амплитуды напряжения для проверки прототипа во всём рабочем диапазоне, формирование напряжения различной формы (пульсации, провалы, плавное нарастание и т. д.) для проверки стабильности работы прототипа в реальных условиях, а также обеспечивает защиту прототипа от различных видов перегрузок.

В качестве лабораторных блоков питания постоянного тока можно использовать: для мощности до 600 Вт серию ITECH IT6900A, для мощности до 3 кВт серию ITECH IT6700H, для мощности до 1,152 МВт серию ITECH IT6000D/C/B.

В качестве лабораторных блоков питания переменного тока можно использовать: для мощности до 3 кВА серию ITECH IT-M7700 (1 фаза), для мощности до 54 кВА серию ITECH IT7600 (1 и 3 фазы).

Электронная нагрузка на выходе

Для исследования разрабатываемого прототипа источника питания в различных режимах работы, к его выходу необходимо подключить программируемую электронную нагрузку. Тип электронной нагрузки (постоянного или переменного тока) зависит от последнего каскада разрабатываемого источника питания. Для преобразователей DC/DC и AC/DC понадобится электронная нагрузка постоянного тока, а для DC/AC и AC/AC переменного (однофазного или трёхфазного).

Программируемая электронная нагрузка на выходе разрабатываемого прототипа решает следующие задачи: регулировка потребляемой мощности для проверки прототипа во всём рабочем диапазоне и формирование динамической нагрузки (имитация стартового тока, резкого изменения потребления, короткого замыкания и т. д.) для проверки стабильности работы прототипа в реальных условиях. Электронная нагрузка может поглощать энергию в следующих режимах: режим постоянного сопротивления, режим постоянного тока потребления, режим постоянной мощности потребления и режим стабилизации напряжения.

В качестве электронных нагрузок постоянного тока можно использовать: для мощности до 3 кВт серию ITECH IT8500+, для мощности до 45 кВт серию ITECH IT8900.

В качестве электронных нагрузок переменного тока можно использовать: для мощности до 43,2 кВА серию ITECH IT8600 (1 и 3 фазы).

Разработка основного устройства

Когда первый прототип источника питания спроектирован и изготовлен, начинается этап проверки его характеристик в различных штатных и нештатных режимах с последующей доработкой и оптимизацией. Для этого чаще всего используют цифровой осциллограф с набором дифференциальных и токовых пробников.

Некоторые измерения, например мощности и коэффициента мощности, можно выполнить с помощью обычного двухканального осциллографа (например Tektronix TBS2000B), используя встроенные математические операции над сигналами. Но для полноценного исследования необходим хороший многоканальный осциллограф с АЦП 12 бит (уровня Tektronix MSO4 или MSO5) и специальное программное обеспечение, которое автоматически вычисляет десятки характеристик, важных для оптимизации источника питания.

Дальше мы расскажем про основные виды измерений, проводимых при разработке и оптимизации прототипа источника питания, а также необходимых для этого приборах, опциях и аксессуарах.

Измерения в точке подключения к сети переменного тока (AC)

Измерения, описанные в этом разделе, проводятся в точке подключения источников питания типов AC/DC и AC/AC к питающей сети переменного тока. Цель этих измерений - убедиться, что влияние, которое тестируемый источник питания оказывает на сеть, находится в заданных пределах.

Кроме того, оборудование и методики, представленные в этом разделе применяются для тестирования источников питания типов DC/AC и AC/AC в точке их подключения к нагрузке переменного тока (AC), в которую они отдают энергию.

Большинство источников питания вносят искажения в сеть питания, к которой они подключаются. Линейные трансформаторные источники питания представляют собой индуктивную нагрузку и кроме активной мощности также потребляют реактивную. Импульсные источники питания не только нагружают сеть нелинейной нагрузкой, а ещё и вносят в неё широкополосные помехи. Даже самые качественные импульсные источники питания с активной коррекцией коэффициента мощности всё равно вносят искажения, которые необходимо контролировать.

Есть несколько основных характеристик, которые измеряют в точке подключения источника питания к сети переменного тока: частота, среднеквадратичные значения напряжения и тока, активная, реактивная и полная мощности, коэффициент мощности, угол сдвига фаз и пик-факторы напряжения и тока. Эти параметры нормируются различными стандартами, например IEC61000-3-2.

Для измерения можно использовать осциллографы серии Tektronix MDO3 с программной опцией 3-PWR, а также осциллографы серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR. Серии MSO4 и MSO5 являются оптимальными, так как содержат модели на 6 и 8 каналов с АЦП 12 бит.

Для примера, на этом скриншоте восьмиканального осциллографа Tektronix MSO58 с установленной опцией 5-PWR показаны формы кривых и числовые результаты измерений всех, указанных выше параметров. В нижней части экрана располагается дополнительный график потреблённой энергии в мДж.

Перед проведением измерений характеристик источников питания с помощью осциллографа, обязательно необходимо: обнулить смещение дифференциальных пробников (AutoZero), размагнитить токовые пробники с обнулением их смещений (Degauss + AutoZero) и устранить задержку между сигналами напряжения и сигналами тока (Deskew).

Для устранения задержки обычно используют специальные приспособления (Deskew Pulse Generator и Deskew Fixture), например показанные на этой фотографии генератор TEK-DPG (получает питание от третьего канала осциллографа) и приспособление 067-1686-XX (зелёная плата с двумя токовыми петлями).

Ещё один вид тестирования в точке подключения к сети переменного тока, связан с определением уровня гармонических искажений, которые создаёт в сети исследуемый источник питания. При этом измеряют уровни отдельных гармоник и общий коэффициент гармонических искажений (THD). Эти измерения предусмотрены различными стандартами, среди которых IEC61000-3-2, AM 14, MIL-STD-1399 и другие.

Для измерения можно использовать осциллографы серии Tektronix MDO3 с программной опцией 3-PWR, а также осциллографы серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR. Для примера, на этом скриншоте осциллографа Tektronix MSO58 с установленной опцией 5-PWR в графическом и табличном виде показаны характеристики ста гармоник. Обратите внимание, что осциллограф не только измерил параметры каждой гармоники, но и провёл анализ на соответствие допускам стандарта IEC61000-3-2. Результат теста "Прошёл" (Status: Pass).

Ещё одна группа измерений, которая проводится в точке подключения к сети переменного тока включает измерение максимального значения стартового тока (пускового тока) и связанной с ним входной ёмкости исследуемого источника питания. Эти параметры необходимо измерять, так как значение стартового тока может многократно превышать ток, потребляемый источником питания в нормальном режиме.

Для измерения можно использовать осциллографы серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR. В качестве примера, на этом скриншоте осциллографа Tektronix MSO58 с установленной опцией 5-PWR показаны: на первом графике (верхнем) сигнал входного тока, на втором графике сигнал входного напряжения, на третьем графике границы изменения входного тока на каждом полупериоде входного напряжения и на четвёртом графике границы изменения входной ёмкости на каждом полупериоде входного напряжения.

В правой части скриншота отображаются основные числовые результаты этой группы измерений: максимальный стартовый ток 2,46 А и максимальная входная ёмкость 28,51 нФ.

При исследовании устройств преобразования электроэнергии, подключаемых к трёхфазной сети, в том числе инверторных приводов электродвигателей, оптимально использовать восьмиканальный осциллограф MSO58 с опцией 5-IMDA или MSO68B с опцией 6-IMDA. Эти модели, оснащённые опцией IMDA, способны выполнять десятки типов измерений, специфичных для трёхфазных систем. На фотографии ниже показан осциллограф MSO58 с результатами работы опции IMDA.

Наглядный пример универсальности осциллографа при проведении измерений в точке подключения к сети переменного тока показан на этой фотографии. На ней изображён восьмиканальный осциллограф Tektronix MSO58 с набором пробников, анализирующий переходные процессы при запуске трёхфазного электродвигателя.

Кроме осциллографа, для измерений в точке подключения к сети переменного тока могут использоваться многофункциональные измерители электрической мощности и энергии, например ITECH IT9121, представленный на этой фотографии.

С помощью такого прибора можно точно измерять: напряжение, ток, активную мощность, реактивную мощность, полную мощность, коэффициент мощности, угол сдвига фаз, энергию, гармоники (до 50-ти) и другие важные параметры. При этом стоимость подобного прибора значительно ниже стоимости осциллографа с набором необходимых пробников.

Измерение характеристик внутренних компонентов источника питания

Если разрабатываемый источник питания является импульсным, то он содержит один или несколько непрерывно переключающихся силовых транзисторов. Частота переключения обычно составляет от десятков до сотен кГц. В процессе переключения на этих транзисторах рассеивается мощность, которая может привести к перегреву, кроме того они подвергаются перегрузкам из-за переходных процессов в реактивных элементах, что может привести к пробою.

Для повышения общей эффективности и надёжности источника питания, необходимо выполнять измерения таких параметров: потери переключения (Switching loss) и область безопасной работы (SOA - Safe Operating Area).

Поскольку напряжение на транзисторе в состоянии "выключено" может в сотни и тысячи раз превышать напряжение в состоянии «включено», то для точного измерения потерь переключения необходим осциллограф с АЦП 12 бит или больше. Стандартный осциллограф с АЦП 8 бит в большинстве случаев не сможет корректно измерить это соотношение.

Для измерения напряжения практически всегда используется дифференциальный пробник. В некоторых случаях, когда даже дифференциальный пробник не может подавить синфазную помеху, рекомендуется использовать оптически изолированный пробник TIVM IsoVu.

Для измерения потерь переключения лучше всего подходят осциллографы с АЦП 12 бит серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR. Для примера, на этом скриншоте осциллографа Tektronix MSO58 с установленной опцией 5-PWR показаны: ток, протекающий через транзистор (самый нижний график), напряжение на транзисторе (второй снизу график) и потери переключения транзистора в Ваттах (третий снизу график). Самый верхний график - это все измеренные осциллографом циклы включения-выключения транзистора.

В правой части скриншота отображаются основные числовые результаты этой группы измерений: потери включения (Ton = 12,71 мВт), потери выключения (Toff = 181,1 мВт) и общие усреднённые потери (Total = 194,6 мВт).

Производители силовых транзисторов указывают для этих компонентов область безопасной работы (SOA - Safe Operating Area), которая определяет максимальные безопасные токи, протекающие через транзистор, при разных значениях приложенного к нему напряжения. Критически важно, чтобы транзистор всегда работал в пределах своей безопасной области, независимо от вариаций входного напряжения, мощности нагрузки или температуры.

Для измерения области безопасной работы можно использовать осциллографы серии Tektronix MDO3 с программной опцией 3-PWR, а также осциллографы серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR. Серии MSO4 и MSO5 являются оптимальными.

Для примера, на этом скриншоте осциллографа Tektronix MSO58 с установленной опцией 5-PWR показана область безопасной работы исследуемого транзистора (чёрная часть слева), область перегрузки и возможного выхода из строя (серая часть справа и сверху) и жёлто-красный график, отражающий измеренные параметры работы этого транзистора. Видно, что транзистор работает с существенной перегрузкой, так как значительную часть цикла он находится в запрещённой серой области.

Внутри большинства источников питания есть цепь обратной связи, с помощью которой поддерживается необходимое значение выходного напряжения. Анализ стабильной и эффективной работы этой цепи обратной связи осуществляют с помощью графиков Боде (логарифмической амплитудно-фазовой частотной характеристики). Также с помощью графиков Боде анализируют работу входных и выходных фильтров.

Для построения графиков Боде можно использовать осциллографы серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR, плюс генератор (встроенный в осциллограф или отдельный прибор серии AFG31000). Сигнал от генератора подаётся в нужную точку источника питания через инжекционный трансформатор серии Picotest J21xxA. Пример графиков Боде, построенных с помощью осциллографа Tektronix MSO58 с опцией 5-PWR показан на этом скриншоте.

Практически все импульсные и линейные источники питания содержат индуктивные элементы: катушки индуктивности и трансформаторы. Эти элементы вносят вклад в потери энергии и снижение КПД, могут входить в насыщение, при этом существенно меняя свои характеристики, могут являться источником электромагнитных помех и т.д. Поэтому измерение параметров индуктивных элементов является важной составляющей разработки эффективного и надёжного источника питания.

Основными параметрами, которые измеряют, являются: индуктивность, магнитные потери и графики B-H. Измерение магнитных потерь может помочь в оптимизации общего КПД источника, а анализ графиков B-H позволяет определить наличие или отсутствие насыщения сердечника и ряд других важных параметров.

Для измерения параметров индуктивных элементов лучше всего подходят осциллографы серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR. Если исследуется трансформатор с тремя и более обмотками, то для одновременного проведения всех измерения необходимо использовать шестиканальные или восьмиканальные осциллографы (по два канала на одну обмотку).

Для примера, на этом скриншоте осциллографа Tektronix MSO58 с установленной опцией 5-PWR показаны: результат измерения индуктивности (левый верхний график), зависимость тока от интеграла напряжения (левый нижний график) и график B-H (центральный график). В правой части скриншота показаны сигналы напряжения (сверху) и тока (снизу).

В самой правой части отображаются основные числовые результаты этой группы измерений: индуктивность (59,84 мкГн), магнитные потери (91,94 мВт) и ряд других параметров.

Измерения в точке подключения к сети постоянного тока (DC)

Измерения, описанные в этом разделе, проводятся в точке подключения источников питания типов AC/DC и DC/DC к нагрузке. Цель этих измерений - убедиться, что исследуемый источник обеспечивает заданные значения выходного напряжения, тока, пульсаций и других характеристик при всех возможных вариациях входного напряжения, мощности нагрузки, температуры и других влияющих факторов.

Кроме того, оборудование и методики, представленные в этом разделе применяются для тестирования источников питания типов DC/AC и DC/DC в точке их подключения к источнику постоянного тока (DC), питающего их энергией.

Основной измеряемой характеристикой является уровень пульсаций постоянного напряжения (Ripple). Также для источников типов AC/DC и DC/DC измеряют зависимость постоянного напряжения на их выходе от тока нагрузки.

Для измерения можно использовать осциллографы серии Tektronix MDO3 с программной опцией 3-PWR, а также осциллографы серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR. Для работы с многоканальными источниками питания оптимальными являются серии MSO4 и MSO5, поскольку в них есть модели на 6 и 8 каналов с АЦП 12 бит.

Для примера, на этом скриншоте осциллографа Tektronix MDO34 с установленной опцией 3-PWR показано напряжение на выходе источника питания, которое содержит высокочастотные пульсации (Ripple) с периодом повторения около 200 кГц. Эти пульсации вызваны переключениями силового транзистора внутри источника питания. В верхней части экрана располагается таблица с результатами измерений: постоянное напряжение 4,888 В, пульсации 24 мВ.

Если кроме пульсаций самого источника питания, частота которых обычно не превышает 1 МГц, необходимо измерить пульсации с частотами десятки и сотни МГц, вызванные быстрыми переключениями тока нагрузки (микропроцессорами, скоростной логикой), то необходимо использовать старшие серии осциллографов (MSO5 или MSO6) и специальные пробники (TPR1000 / TPR4000 с полосой 1 ГГц / 4 ГГц). Для расширенных возможностей анализа пульсаций, например их влияния на джиттер цифровых сигналов синхронизации, рекомендуются программные опции 5-DPM или 6-DPM.

Измерения между входом и выходом источника питания

Это заключительная группа измерений, с помощью которых определяют зависимости между сигналами на входе источника питания и сигналами на его выходе. Основные измерения этой группы: коэффициент полезного действия (КПД или Efficiency), время включения и время выключения.

Усреднённый КПД можно измерять различными способами, например используя данные встроенных мультиметров лабораторного блока питания на входе исследуемого источника питания и электронной нагрузки на его выходе. Но универсальное решение, с помощью которого возможно измерять динамические изменения КПД и вклад в КПД отдельных каналов многоканальных источников, основывается на осциллографе.

Для измерения КПД можно использовать осциллографы серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR. Скриншот окна конфигурации осциллографа Tektronix MSO58 перед началом измерений КПД показан на этом рисунке. Обратите внимание, что можно свободно выбирать тип входа (AC или DC), количество выходов и тип каждого выхода (AC или DC).

На этом скриншоте осциллографа Tektronix MSO58 показаны графики мощности на входе исследуемого источника питания и на каждом из трёх его выходов. В правой части экрана в числовом виде выводятся общие результаты: КПД (Efficiency) равен 98,83%.

Для большинства типов источников питания важными характеристиками являются время включения и время выключения. Кроме того, для источников с несколькими выходами необходимо измерять синхронность установления напряжений и возникающие при этом задержки.

Для автоматического измерения времени включения и выключения можно использовать осциллографы серий MSO4, MSO5 и MSO6 с соответствующими программными опциями 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR. При использовании восьмиканальной модели осциллографа даже можно исследовать источник питания с одним входом и семью выходами. Пример измерения показан на этом скриншоте осциллографа Tektronix MSO58.

Проверка электробезопасности источника питания

На завершающей стадии разработки источника питания проводят комплекс тестов по электробезопасности. В зависимости от назначения и конструкции разработанного устройства могут проводиться: испытание электрической прочности изоляции, измерение сопротивления изоляции, измерение сопротивления низкоомных цепей, измерение тока утечки, проверка встроенного устройства защиты от импульсных помех и другие.

Для проведение этих испытаний необходим комплект соответствующего оборудования: пробойная установка, гигаомметр, миллиомметр, генератор высоковольтных импульсов и т. д. Это оборудование выпускается в виде отдельных приборов или в виде многофункциональных измерительных установок.

В качестве отдельных приборов можно использовать: пробойную установку до 5 кВ Sourcetronic ST9201, измеритель сопротивления изоляции до 10 ТОм Sourcetronic ST2683A, миллиомметр от 1 мкОм Sourcetronic ST2516 и генератор высоковольтных импульсов до 10 кВ Sourcetronic ST2883-10.

В качестве многофункциональной установки рекомендуется модульная измерительная система Sourcetronic ST400, в состав которой может входить до восьми различных модулей, способных обеспечить весь набор тестов по электробезопасности. Внешний вид системы ST400 показан на этой фотографии.

Дополнительная информация по этой теме

Мы специально не перегружали эту статью техническими деталями тестирования отдельных компонентов источников электропитания. Для более полного изучения существующих методик измерений и применяемых в данной области приборов, рекомендуем ознакомиться с этой информацией:

Описание опции автоматизации измерений Tektronix 3-PWR (на английском) (6 стр.; 1 МБ)

Описание опций автоматизации измерений Tektronix 4-PWR, 5-PWR и 6-PWR (на английском) (24 стр.; 5 МБ)

Описание опции автоматизации измерений Tektronix 5-IMDA (на английском) (17 стр.; 4 МБ)

Руководство по тестированию импульсных источников электропитания (на английском) (14 стр.; 4 МБ)

Руководство по тестированию систем электропитания автомобилей (на английском) (20 стр.; 7 МБ)

Учебник по основным принципам измерений с помощью осциллографов (на русском) (60 стр.; 2 МБ)

Как выбрать цифровой осциллограф - подробное руководство

Как выбрать лабораторный блок питания - подробное руководство

Что такое электронная нагрузка - общая информация

Если Вам необходима техническая консультация по выбору оптимального комплекта оборудования для разработки и производства Вашего источника питания или преобразователя электроэнергии, просто позвоните нам или напишите нам по E-mail и мы с радостью ответим на Ваши вопросы.