広帯域電流トランスデューサ
ローランド・バーガー（ダニセンス事業開発エンジニア）著
新型DW500UB-2Vは、500Aで2Vの電圧出力信号を持ち、フルアルミボディにより優れたEMIシールドと広い動作温度範囲を確保しています。
電力解析用広帯域電流変換器
窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）などのワイドバンドギャップ半導体技術に基づく電力変換製品は、現在、ほぼ完全な正弦波波形を生成できる著しく高いスイッチング周波数で動作している。
チョークやコンデンサーなどのフィルター素子は、チョークのインダクタンス値とコンデンサーのキャパシタンスがスイッチング周波数に反比例するため、より小型・軽量化できる。
今後、SiCやGaNを使用した部品は、より多くのアプリケーションで受け入れられていくだろう。
本稿では、新たなアプローチを説明し、現在必要とされている広帯域幅に対応する能力を備えた一連の電流変換器を紹介する。
パワーアナライザは通常、有効電力の計算に以下の基本式を用いる。
このように、デジタル化された電圧v(t)と電流i(t)の瞬時値が掛け合わされ、その結果が定義された時間窓にわたって合計される。
基本的に、パワーアナライザの帯域幅制限またはフィルタカットオフ周波数までのDC成分、すべての高調波成分、非高調波成分が考慮されます。 プレミアム・セグメントのパワー・アナライザは、すでに周波数10 MHzまで動作する。
ほとんどの場合、電圧信号はパワーアナライザで直接処理されるため、パワーアナライザの全帯域幅を使用することができます。
30Aを超える電流測定には、一次側信号を二次側に高精度で伝送しなければならない、電気的に絶縁された電流センサーがしばしば使用される。
これらの電流センサーは、銅線巻線と鉄芯を主な構成部品としています。
また、ロゴスキーコイルは、銅線を巻いたコイル本体で構成されています。
この構造により、巻線インダクタンスと、個々の巻線間および個々の巻線層間に常に形成される不要なキャパシタンスが発生する。
従って、それぞれの銅線巻線は潜在的な発振回路を表している。
トムソンの発振方程式により、共振周波数を計算することができます。
この式から、コイルの静電容量が大きいほど、インダクタンスが一定のときの共振周波数は小さくなることがわかる。
次の図は、部分的に巻かれた鉄心を示している。
完全な2次巻線は2つのコイルに分割され、直列に接続されている。
どちらの2次コイルも複数の巻線層を持っています。
個々のキャパシタンスは、電気等価回路では並列に接続されている。
コイルが直列に接続されているため、1つのコイルの総キャパシタンスは2で割らなければならない。
従って、1つのコイルの合計キャパシタンスは、層の数とともに増加する。
従って、巻数が多く、層数が多い電流センサーは、共振周波数が低くなるはずです。
この仮説は、誘導変流器の周波数測定によってすでに実際に検証されている。
図2では、巻数比の異なる同型の誘導変流器を35kHzまで測定している。
二次電流は一次定格電流で常に1Aであった。
その結果、4000Aのモデルは、他のデバイスに比べて銅線の巻数が多く、巻線層も多かった。
4000Aの変流器の第一共振は約9570Hz。
3000Aの共振周波数は約13,000Hzである。
電流特性は、二次信号が共振点の領域で減衰するだけでなく、増幅できることを示している。
さらに、無視できない位相シフトも生じている。
現在のセンサーメーカーが帯域幅を定義している場合、電力計算もこの範囲に限定すべきである。
そうでなければ、これを超える周波数範囲ではかなりの不正確さが予想される。
この結論は、5Aの電流クランプの周波数特性を考えるとさらに裏付けられる。
データシートによると、このクランプは20kHzまで規定されている。
20 kHzの直後、最初の共振点が検出される。
60～80kHzの間にも共振点が検出されます。
この範囲では、約1270％増加した振幅値が二次側に表示されます。
一般的にメーカーは、承認された測定範囲を超えた電流センサーの、時にカオス的なカーブを見せることに抵抗がある。
しかしながら、ユーザーは、採用されたセンサーの定義されていない高い周波数範囲では、望ましくないカーブ特性を予期しなければならない。
指定された周波数範囲以上の振幅の強い減衰は一般的ではありません。
また、ゼロ磁束原理に従って動作し、電力測定にすでに何十年も使用されている高精度電流センサーは、必要な電子機器と組み合わされた複数の巻線鉄心で構成されている。
10kHzを大幅に超える電流成分は、第3のコアを介して受動的に伝送される。
つまり、10 kHzを超えると、センサーは変圧器の原理に従って変流器のように動作する。
ゼロフラックス・テクノロジーのパイオニアであるダニセンスは、このたびこの第3のコアを10MHzまでの伝送用に最適化することに成功した。
ダニセンスの新型電流トランスデューサDW500UB-2Vは、500A対2Vの比を持ち、10MHzまでの周波数応答で、現在この分野をリードするゼロフラックス・トランスデューサです。
パワーアナライザーのような電流変換器が10MHzまでの測定に対応できるようになれば、今後、炭化ケイ素ベースのコンバーターをテストする際にも、高精度で信頼性の高い電力測定が可能になるはずだ。
ここでのスイッチング周波数は、多くの場合50～100kHzである。
しかし、このスイッチング周波数に加えて、スイッチング周波数の倍数が対応するサイドバンドを形成する。
この現象は以下の式で表される。
コンバーターが100kHzでパルス化されている場合、200kHz、300kHz、400kHzでも対応するサイドバンドで減衰した振幅が予想されます。
このような状況で発生する有効電力を正確に測定するためには、振幅誤差に加えて位相変位もできるだけ小さくする必要があることに注意しなければなりません。
その結果、位相変位が有効電力計算の精度に与える影響は大きくなる。
したがって、電力解析用の測定装置は、高周波領域での不正確さを排除できるように、振幅誤差と位相変位に関して可能な限り大きな周波数範囲をカバーできるものでなければならない。
電力測定以外にも、高帯域幅は高速過渡現象、突入電流、サージ電流、電流上昇の急峻さを検出するのにも有効です。
3MHz以降の大きな位相シフト（< -10°）は、電力測定ほど重要ではありません。