{"id":15680,"date":"2022-07-07T12:39:32","date_gmt":"2022-07-07T12:39:32","guid":{"rendered":"https:\/\/danisense.com\/stromwandler-mit-grosser-bandbreite\/"},"modified":"2024-08-02T05:35:35","modified_gmt":"2024-08-02T05:35:35","slug":"stromwandler-mit-grosser-bandbreite","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/danisense.com\/de\/stromwandler-mit-grosser-bandbreite\/","title":{"rendered":"Stromwandler mit gro\u00dfer Bandbreite"},"content":{"rendered":"\t\t
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Stromwandler mit gro\u00dfer Bandbreite<\/h1>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Von Roland Buerger, (Business Development Engineer), Danisense<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Der neue DW500UB-2V hat ein Spannungsausgangssignal von 2 V bei 500 A. Das Vollaluminiumgeh\u00e4use gew\u00e4hrleistet eine hervorragende EMI-Abschirmung und einen erweiterten Betriebstemperaturbereich.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Stromwandler mit gro\u00dfer Bandbreite f\u00fcr die Leistungsanalyse <\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Energieumwandlungsprodukte, die auf Halbleitertechnologien mit breiter Bandl\u00fccke wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) basieren, arbeiten jetzt mit deutlich h\u00f6heren Schaltfrequenzen, die nahezu perfekte Sinuswellenformen erzeugen k\u00f6nnen.
\nFilterelemente wie Drosseln und Kondensatoren k\u00f6nnen kleiner und leichter gebaut werden, da die Induktivit\u00e4tswerte der Drosseln und die Kapazit\u00e4ten der Kondensatoren umgekehrt proportional zur Schaltfrequenz sind.
\nIn Zukunft werden sich SiC- und GaN-basierte Komponenten in immer mehr Anwendungen durchsetzen.
\nDieser Artikel erl\u00e4utert einen neuen Ansatz und stellt eine Reihe von Stromwandlern vor, die in der Lage sind, die jetzt erforderlichen gro\u00dfen Bandbreiten zu bew\u00e4ltigen. <\/p>\n

Leistungsanalysatoren verwenden in der Regel die folgende Grundformel zur Berechnung der Wirkleistung.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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So werden die digitalisierten Momentanwerte der Spannung v(t) und des Stroms i(t) miteinander multipliziert und die Ergebnisse \u00fcber ein definiertes Zeitfenster aufsummiert.
\nGrunds\u00e4tzlich werden Gleichstromkomponenten, alle harmonischen und nichtharmonischen Komponenten bis zur Bandbreitengrenze oder Filtergrenzfrequenz des Netzanalysators ber\u00fccksichtigt. Leistungsanalysatoren im Premiumsegment arbeiten bereits bis zu einer Frequenz von 10 MHz.
\nIn den meisten F\u00e4llen wird das Spannungssignal direkt vom Leistungsanalysator verarbeitet, so dass die gesamte Bandbreite des Leistungsanalysators genutzt werden kann. <\/p>\n

F\u00fcr Strommessungen von mehr als 30 A werden oft galvanisch getrennte Stromsensoren verwendet, die das Prim\u00e4rsignal mit hoher Genauigkeit an die Sekund\u00e4rseite \u00fcbertragen m\u00fcssen.
\nDiese Stromsensoren haben als Hauptbestandteile eine Kupferdrahtwicklung und einen Eisenkern.
\nAuch Rogowski-Spulen bestehen aus einem mit Kupferdraht gewickelten Spulenk\u00f6rper.
\nDieser Aufbau f\u00fchrt zu einer Wicklungsinduktivit\u00e4t und auch zu unerw\u00fcnschten Kapazit\u00e4ten, die sich immer zwischen den einzelnen Wicklungen und zwischen den einzelnen Wicklungsschichten bilden.
\nDementsprechend stellt jede Kupferdrahtwicklung einen potenziellen Schwingkreis dar.
\nMit der Thomson’schen Schwingungsgleichung ist es m\u00f6glich, die Resonanzfrequenz zu berechnen. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Anhand der Formel l\u00e4sst sich feststellen, dass die Resonanzfrequenz bei konstanter Induktivit\u00e4t umso kleiner ist, je gr\u00f6\u00dfer die Kapazit\u00e4t der Spule ist.
\nDie folgende Abbildung zeigt einen teilweise gewickelten Eisenkern.
\nDie komplette Sekund\u00e4rwicklung ist in zwei Spulen unterteilt und in Reihe geschaltet.
\nBeide Sekund\u00e4rspulen haben mehrere Wicklungsschichten. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Die einzelnen Kapazit\u00e4ten sind im elektrischen Ersatzschaltbild parallel geschaltet, was bedeutet, dass die Gesamtkapazit\u00e4ten in einer Wicklung addiert werden.
\nDa die Spulen in Reihe geschaltet sind, muss die Gesamtkapazit\u00e4t einer Spule durch zwei geteilt werden.
\nDie Gesamtkapazit\u00e4t einer Spule nimmt daher mit der Anzahl der Lagen zu.
\nStromsensoren mit mehr Windungen und mehr Schichten sollten dementsprechend eine niedrigere Resonanzfrequenz haben. <\/p>\n

Diese Hypothese wurde bereits in der Praxis durch Frequenzmessungen an induktiven Stromwandlern verifiziert.
\nIn Abbildung 2 wurden induktive Stromwandler desselben Typs mit unterschiedlichen Windungsverh\u00e4ltnissen bis zu 35 kHz gemessen.
\nDer Sekund\u00e4rstrom betrug immer 1 A bei prim\u00e4rem Nennstrom.
\nDaher hatte das 4000-A-Modell im Vergleich zu den anderen Ger\u00e4ten mehr Kupferdrahtwindungen und mehr Wicklungsschichten. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Die erste Resonanz des 4000 A Stromwandlers liegt bei etwa 9.570 Hz.
\nDie Resonanzfrequenz des 3000-A-Ger\u00e4ts liegt bei etwa 13.000 Hz.
\nDie Stromkennlinien zeigen, dass das Sekund\u00e4rsignal im Bereich der Resonanzpunkte nicht nur ged\u00e4mpft wird, sondern auch verst\u00e4rkt werden kann.
\nDar\u00fcber hinaus tritt auch eine nicht unerhebliche Phasenverschiebung auf. <\/p>\n

Wenn die Hersteller der Stromsensoren Bandbreiten definieren, sollte auch die Leistungsberechnung auf diesen Bereich beschr\u00e4nkt sein.
\nAndernfalls sind im dar\u00fcber hinausgehenden Frequenzbereich erhebliche Ungenauigkeiten zu erwarten.
\nDiese Schlussfolgerung wird noch verst\u00e4rkt, wenn man den Frequenzgang einer 5-A-Stromzange betrachtet.
\nDie Stromzange ist laut Datenblatt bis zu 20 kHz spezifiziert.
\nUnmittelbar nach den 20 kHz ist der erste Resonanzpunkt zu erkennen.
\nEin weiterer Resonanzpunkt kann zwischen 60 und 80 kHz festgestellt werden.
\nIn diesem Bereich k\u00f6nnen auf der Sekund\u00e4rseite Amplitudenwerte mit einem Anstieg von etwa 1.270 Prozent angezeigt werden. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Im Allgemeinen ist es den Herstellern unangenehm, die manchmal chaotisch aussehenden Kurven ihrer Stromsensoren jenseits des zugelassenen Messbereichs zu zeigen.<\/p>\n

Allerdings muss der Benutzer mit unerw\u00fcnschten Kurvenverl\u00e4ufen im nicht definierten h\u00f6heren Frequenzbereich der verwendeten Sensoren rechnen.
\nEine starke D\u00e4mpfung der Amplituden oberhalb des angegebenen Frequenzbereichs ist nicht \u00fcblich. <\/p>\n

Auch die hochpr\u00e4zisen 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.<\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Stromkomponenten, die deutlich \u00fcber 10 kHz liegen, werden passiv \u00fcber den dritten Kern \u00fcbertragen.
\nDas bedeutet, dass der Sensor oberhalb von 10 kHz wie ein Stromwandler nach dem Transformatorprinzip arbeitet. <\/p>\n

Die Pioniere der Zero-Flux-Technologie haben diesen dritten Kern nun erfolgreich f\u00fcr \u00dcbertragungen bis zu 10 MHz optimiert.
\nDer neue DW500UB-2V Stromwandler von Danisense hat ein Verh\u00e4ltnis von 500 A zu 2 V und ist mit seinem Frequenzgang von bis zu 10 MHz derzeit der f\u00fchrende Zero-Flux-Wandler in diesem Bereich. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Wenn die Stromwandler, wie der Power Analyzer, jetzt Messungen bis zu 10 MHz bew\u00e4ltigen k\u00f6nnen, sollten in Zukunft auch hochpr\u00e4zise und zuverl\u00e4ssige Leistungsmessungen beim Testen von Wandlern auf Siliziumkarbidbasis m\u00f6glich sein.
\nDie Schaltfrequenzen liegen hier oft bei 50 bis 100 kHz.
\nZus\u00e4tzlich zu dieser Schaltfrequenz bilden sich jedoch Vielfache der Schaltfrequenz mit entsprechenden Seitenb\u00e4ndern.
\nDieses Ph\u00e4nomen wird durch die folgende Formel beschrieben. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Wenn ein Konverter nun mit 100 kHz gepulst wird, k\u00f6nnen wir ged\u00e4mpfte Amplituden auch bei 200, 300 und 400 kHz mit den entsprechenden Seitenb\u00e4ndern erwarten.
\nUm die in dieser Situation auftretende Wirkleistung genau zu messen, ist zu beachten, dass neben dem Amplitudenfehler auch die Phasenverschiebung so klein wie m\u00f6glich sein sollte, da im h\u00f6herfrequenten Bereich ein deutlich geringerer Leistungsfaktor vorhanden ist.
\nDadurch erh\u00f6ht sich der Einfluss der Phasenverschiebung auf die Genauigkeit der Wirkleistungsberechnung erheblich.
\nDie Messger\u00e4te f\u00fcr die Leistungsanalyse sollten daher in der Lage sein, einen m\u00f6glichst gro\u00dfen Frequenzbereich hinsichtlich des Amplitudenfehlers und der Phasenverschiebung abzudecken, um Ungenauigkeiten im h\u00f6herfrequenten Bereich ausschlie\u00dfen zu k\u00f6nnen. <\/p>\n

Neben der Leistungsmessung ist die hohe Bandbreite auch n\u00fctzlich, um schnelle Transienten, Einschaltstr\u00f6me, Sto\u00dfstr\u00f6me und die Steilheit des Stromanstiegs zu erkennen.
\nDie gr\u00f6\u00dfere Phasenverschiebung (< -10 \u00b0) ab 3 MHz ist hier weniger wichtig als bei der Leistungsmessung. <\/p>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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