Stromwandler mit großer Bandbreite
Von Roland Buerger, (Business Development Engineer), Danisense
Der neue DW500UB-2V hat ein Spannungsausgangssignal von 2 V bei 500 A. Das Vollaluminiumgehäuse gewährleistet eine hervorragende EMI-Abschirmung und einen erweiterten Betriebstemperaturbereich.
Stromwandler mit großer Bandbreite für die Leistungsanalyse
Energieumwandlungsprodukte, die auf Halbleitertechnologien mit breiter Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) basieren, arbeiten jetzt mit deutlich höheren Schaltfrequenzen, die nahezu perfekte Sinuswellenformen erzeugen können.
Filterelemente wie Drosseln und Kondensatoren können kleiner und leichter gebaut werden, da die Induktivitätswerte der Drosseln und die Kapazitäten der Kondensatoren umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz sind.
In Zukunft werden sich SiC- und GaN-basierte Komponenten in immer mehr Anwendungen durchsetzen.
Dieser Artikel erläutert einen neuen Ansatz und stellt eine Reihe von Stromwandlern vor, die in der Lage sind, die jetzt erforderlichen großen Bandbreiten zu bewältigen.
Leistungsanalysatoren verwenden in der Regel die folgende Grundformel zur Berechnung der Wirkleistung.
So werden die digitalisierten Momentanwerte der Spannung v(t) und des Stroms i(t) miteinander multipliziert und die Ergebnisse über ein definiertes Zeitfenster aufsummiert.
Grundsätzlich werden Gleichstromkomponenten, alle harmonischen und nichtharmonischen Komponenten bis zur Bandbreitengrenze oder Filtergrenzfrequenz des Netzanalysators berücksichtigt. Leistungsanalysatoren im Premiumsegment arbeiten bereits bis zu einer Frequenz von 10 MHz.
In den meisten Fällen wird das Spannungssignal direkt vom Leistungsanalysator verarbeitet, so dass die gesamte Bandbreite des Leistungsanalysators genutzt werden kann.
Für Strommessungen von mehr als 30 A werden oft galvanisch getrennte Stromsensoren verwendet, die das Primärsignal mit hoher Genauigkeit an die Sekundärseite übertragen müssen.
Diese Stromsensoren haben als Hauptbestandteile eine Kupferdrahtwicklung und einen Eisenkern.
Auch Rogowski-Spulen bestehen aus einem mit Kupferdraht gewickelten Spulenkörper.
Dieser Aufbau führt zu einer Wicklungsinduktivität und auch zu unerwünschten Kapazitäten, die sich immer zwischen den einzelnen Wicklungen und zwischen den einzelnen Wicklungsschichten bilden.
Dementsprechend stellt jede Kupferdrahtwicklung einen potenziellen Schwingkreis dar.
Mit der Thomson’schen Schwingungsgleichung ist es möglich, die Resonanzfrequenz zu berechnen.
Anhand der Formel lässt sich feststellen, dass die Resonanzfrequenz bei konstanter Induktivität umso kleiner ist, je größer die Kapazität der Spule ist.
Die folgende Abbildung zeigt einen teilweise gewickelten Eisenkern.
Die komplette Sekundärwicklung ist in zwei Spulen unterteilt und in Reihe geschaltet.
Beide Sekundärspulen haben mehrere Wicklungsschichten.
Die einzelnen Kapazitäten sind im elektrischen Ersatzschaltbild parallel geschaltet, was bedeutet, dass die Gesamtkapazitäten in einer Wicklung addiert werden.
Da die Spulen in Reihe geschaltet sind, muss die Gesamtkapazität einer Spule durch zwei geteilt werden.
Die Gesamtkapazität einer Spule nimmt daher mit der Anzahl der Lagen zu.
Stromsensoren mit mehr Windungen und mehr Schichten sollten dementsprechend eine niedrigere Resonanzfrequenz haben.
Diese Hypothese wurde bereits in der Praxis durch Frequenzmessungen an induktiven Stromwandlern verifiziert.
In Abbildung 2 wurden induktive Stromwandler desselben Typs mit unterschiedlichen Windungsverhältnissen bis zu 35 kHz gemessen.
Der Sekundärstrom betrug immer 1 A bei primärem Nennstrom.
Daher hatte das 4000-A-Modell im Vergleich zu den anderen Geräten mehr Kupferdrahtwindungen und mehr Wicklungsschichten.
Die erste Resonanz des 4000 A Stromwandlers liegt bei etwa 9.570 Hz.
Die Resonanzfrequenz des 3000-A-Geräts liegt bei etwa 13.000 Hz.
Die Stromkennlinien zeigen, dass das Sekundärsignal im Bereich der Resonanzpunkte nicht nur gedämpft wird, sondern auch verstärkt werden kann.
Darüber hinaus tritt auch eine nicht unerhebliche Phasenverschiebung auf.
Wenn die Hersteller der Stromsensoren Bandbreiten definieren, sollte auch die Leistungsberechnung auf diesen Bereich beschränkt sein.
Andernfalls sind im darüber hinausgehenden Frequenzbereich erhebliche Ungenauigkeiten zu erwarten.
Diese Schlussfolgerung wird noch verstärkt, wenn man den Frequenzgang einer 5-A-Stromzange betrachtet.
Die Stromzange ist laut Datenblatt bis zu 20 kHz spezifiziert.
Unmittelbar nach den 20 kHz ist der erste Resonanzpunkt zu erkennen.
Ein weiterer Resonanzpunkt kann zwischen 60 und 80 kHz festgestellt werden.
In diesem Bereich können auf der Sekundärseite Amplitudenwerte mit einem Anstieg von etwa 1.270 Prozent angezeigt werden.
Im Allgemeinen ist es den Herstellern unangenehm, die manchmal chaotisch aussehenden Kurven ihrer Stromsensoren jenseits des zugelassenen Messbereichs zu zeigen.
Allerdings muss der Benutzer mit unerwünschten Kurvenverläufen im nicht definierten höheren Frequenzbereich der verwendeten Sensoren rechnen.
Eine starke Dämpfung der Amplituden oberhalb des angegebenen Frequenzbereichs ist nicht üblich.
Auch die hochpräzisen Stromsensoren, die nach dem Null-Fluss-Prinzip arbeiten und bereits seit Jahrzehnten zur Leistungsmessung eingesetzt werden, bestehen aus mehreren gewickelten Eisenkernen in Kombination mit der notwendigen Elektronik.
Stromkomponenten, die deutlich über 10 kHz liegen, werden passiv über den dritten Kern übertragen.
Das bedeutet, dass der Sensor oberhalb von 10 kHz wie ein Stromwandler nach dem Transformatorprinzip arbeitet.
Die Pioniere der Zero-Flux-Technologie haben diesen dritten Kern nun erfolgreich für Übertragungen bis zu 10 MHz optimiert.
Der neue DW500UB-2V Stromwandler von Danisense hat ein Verhältnis von 500 A zu 2 V und ist mit seinem Frequenzgang von bis zu 10 MHz derzeit der führende Zero-Flux-Wandler in diesem Bereich.
Wenn die Stromwandler, wie der Power Analyzer, jetzt Messungen bis zu 10 MHz bewältigen können, sollten in Zukunft auch hochpräzise und zuverlässige Leistungsmessungen beim Testen von Wandlern auf Siliziumkarbidbasis möglich sein.
Die Schaltfrequenzen liegen hier oft bei 50 bis 100 kHz.
Zusätzlich zu dieser Schaltfrequenz bilden sich jedoch Vielfache der Schaltfrequenz mit entsprechenden Seitenbändern.
Dieses Phänomen wird durch die folgende Formel beschrieben.
Wenn ein Konverter nun mit 100 kHz gepulst wird, können wir gedämpfte Amplituden auch bei 200, 300 und 400 kHz mit den entsprechenden Seitenbändern erwarten.
Um die in dieser Situation auftretende Wirkleistung genau zu messen, ist zu beachten, dass neben dem Amplitudenfehler auch die Phasenverschiebung so klein wie möglich sein sollte, da im höherfrequenten Bereich ein deutlich geringerer Leistungsfaktor vorhanden ist.
Dadurch erhöht sich der Einfluss der Phasenverschiebung auf die Genauigkeit der Wirkleistungsberechnung erheblich.
Die Messgeräte für die Leistungsanalyse sollten daher in der Lage sein, einen möglichst großen Frequenzbereich hinsichtlich des Amplitudenfehlers und der Phasenverschiebung abzudecken, um Ungenauigkeiten im höherfrequenten Bereich ausschließen zu können.
Neben der Leistungsmessung ist die hohe Bandbreite auch nützlich, um schnelle Transienten, Einschaltströme, Stoßströme und die Steilheit des Stromanstiegs zu erkennen.
Die größere Phasenverschiebung (< -10 °) ab 3 MHz ist hier weniger wichtig als bei der Leistungsmessung.