宽带宽电流传感器

作者:Roland Buerger(业务开发工程师),达尼森公司

Danisense Wide Bandwidth current transducer

新型 DW500UB-2V 的电压输出信号为 2 V,电流为 500 A。全铝机身确保了出色的电磁干扰屏蔽和更宽的工作温度范围。

用于功率分析的宽带宽电流传感器

目前,基于氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽带隙半导体技术的功率转换产品的开关频率显著提高,可以产生几乎完美的正弦波形。 由于扼流圈的电感值和电容器的电容值与开关频率成反比,因此扼流圈和电容器等滤波器元件可以做得更小更轻。 未来,基于碳化硅和氮化镓的元件将继续被更多应用所接受。 本文介绍了一种新方法,并介绍了一系列具有处理当前所需宽带宽能力的电流传感器。

功率分析仪通常使用以下基本公式计算有功功率。

Power analyzer basic formula

因此,将电压 v(t) 和电流 i(t) 的数字化瞬时值相乘,然后将结果在规定的时间窗口内相加。 基本上,直流分量、所有谐波和非谐波分量,直至功率分析仪的带宽限制或滤波器截止频率都会考虑在内。 高端功率分析仪的工作频率已高达 10 MHz。 在大多数情况下,电压信号直接由功率分析仪处理,以便使用功率分析仪的全部带宽。

对于大于 30 A 的电流测量,通常使用电隔离电流传感器,它必须将一次信号高精度地传输到二次侧。 这些电流传感器的主要部件是铜线绕组和铁芯。 此外,罗戈夫斯基线圈由缠绕铜线的线圈体组成。 这种结构会产生绕组电感,同时在单个绕组之间和单个绕组层之间总会形成不必要的电容。 因此,每个铜线绕组都代表一个潜在的振荡电路。 利用汤姆逊振荡方程可以计算出谐振频率。

Thomson's oscillation equation

根据该公式可以看出,在电感不变的情况下,线圈的电容越大,谐振频率越小。 下图显示了部分绕制的铁芯。 整个次级绕组分为两个线圈,并串联在一起。 两个次级线圈都有多个绕组层。

Partially wound current transformer with the electrical equivalent circuit for the secondary winding

在电气等效电路中,各个电容并联连接,这意味着一个绕组中的总电容相加。 由于线圈是串联连接的,一个线圈的总电容必须除以二。 因此,一个线圈的总电容会随着层数的增加而增加。 因此,匝数越多、层数越多的电流传感器的谐振频率就越低。

这一假设已在电感电流互感器的频率测量中得到验证。 在图 2 中,对具有不同匝数比的同类型电感电流互感器进行了高达 35 kHz 的测量。 在一次额定电流下,二次电流始终为 1 A。 因此,与其他设备相比,4000 A 型号的铜线匝数更多,绕组层数也更多。

Frequency response of three inductive current transformers with different ratios

4000 A 电流互感器的第一次谐振频率约为 9570 赫兹。 3000 A 设备的谐振频率约为 13 000 赫兹。 电流特性表明,次级信号不仅在共振点区域受到阻尼,而且还能被放大。 此外,还会出现不小的相移。

如果当前传感器制造商定义了带宽,功率计算也应限制在此范围内。 否则,超出这一频率范围的误差会相当大。 考虑到 5 A 电流钳的频率响应,这一结论得到了进一步证实。 根据数据表,钳位的指定频率可达 20 kHz。 在 20 kHz 之后,可以直接检测到第一个共振点。 在 60 至 80 千赫之间还能检测到一个共振点。 在此范围内,副边可显示增幅约为 1,270% 的振幅值。

: Frequency response of a 5 A current clamp

一般情况下,制造商不愿意在批准的测量范围之外显示其电流传感器有时看起来杂乱无章的曲线。

不过,用户必须预料到所使用的传感器在未定义的较高频率范围内会出现不期望的曲线特性。 指定频率范围以上的振幅强烈阻尼并不常见。

此外,高精度电流传感器是根据零流量原理工作的,几十年来一直用于电能测量,它由多个缠绕铁芯和必要的电子元件组成。

: General principle of a balanced core zero-flux transducer

频率明显高于 10 kHz 的电流成分通过第三个磁芯无源传输。 这意味着,根据变压器原理,在 10 kHz 以上时,传感器就像电流互感器一样工作。

零磁通量技术的先驱现已成功优化了这第三个磁芯,传输频率可达 10 MHz。 达尼森新型 DW500UB-2V 电流传感器的电流比为 500 A 至 2 V,频率响应高达 10 MHz,是目前该领域领先的零磁通量传感器。

Frequency response of the new high bandwidth DW500UB-2V current transducer

如果当前的传感器(如功率分析仪)现在能够处理高达 10 MHz 的测量,那么未来在测试基于碳化硅的转换器时,高精度、高可靠性的功率测量也将成为可能。 这里的开关频率通常为 50 至 100 kHz。 不过,除了这个开关频率外,开关频率的倍数还会形成相应的边带。 这种现象可以用下面的公式来描述。

switching frequency formula

如果现在转换器的脉冲频率为 100 kHz,那么我们可以预期在 200、300 和 400 kHz 时也会出现阻尼振幅,并伴有相应的边带。 为了准确测量这种情况下发生的有功功率,必须注意,除了振幅误差外,相位偏移也应尽可能小,因为高频范围内的功率因数明显较小。 因此,相位位移对有功功率计算精度的影响显著增加。 因此,用于功率分析的测量设备在振幅误差和相位偏移方面应能覆盖尽可能大的频率范围,以排除高频范围内的误差。

除功率测量外,高带宽还可用于检测快速瞬态、浪涌电流、浪涌电流和电流上升陡度。 与功率测量相比,从 3 MHz 开始的较大相移 (< -10 °) 在这里并不那么重要。

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