Anwendungshinweis

Messung und Analyse der Stromversorgung mit der Anwendungssoftware 4/5/6-PWR

Von tragbaren Elektronikgeräten bis hin zu Industrie- und Energiesystemen müssen Designer die stationäre Leistung und dynamische Verhaltensweisen wie Schaltverluste, Regelkreisstabilität und Einschwingverhalten bewerten. Oszilloskopbasierte Werkzeuge ermöglichen es Ingenieuren, diese Ziele mit genauen, wiederholbaren Messtechniken zu erreichen, die Spannungs-, Strom- und Leistungsbeziehungen über mehrere Betriebsbereiche hinweg erfassen können.

Dieser Anwendungshinweis beschreibt:

• Einrichtung für präzise Leistungsmessungen, einschließlich Tastkopf-Versatzausgleich, Tastkopf-Offset-Korrektur und Stromtastkopf-Entmagnetisierung.
• So optimieren Sie die neuesten GaN- und SiC-Designs und führen Schaltanalysen an Transistoren durch.
• So charakterisieren Sie Induktivitäten und Transformatoren, um die Stabilität und Effizienz der Stromversorgung zu bestimmen, und charakterisieren Sie den Frequenzgang eines Stromversorgungs-Regelkreises.
• So bewerten Sie die Ausgabe eines Gleichspannungsnetzteils und führen eine Fehlerdurchfahrt-Analyse durch.
• Diskutiert Differenz- und Stromtastköpfe, einschließlich isolierter IsoVu-Tastköpfe.

Die in diesem Anwendungshinweis verwendeten Instrumente sind Tektronix 4, 5 und 6 Series B Mixed-Signal-Oszilloskope, die mit der Software für erweiterte Leistungsmessung und -analyse (Optionen 4-PWR, 5-PWR oder 6-PWR) ausgestattet sind. Diese Plattformen bieten in Kombination mit geeigneten Spannungs- und Stromtastköpfen eine skalierbare und konsistente Messumgebung für ein breites Spektrum von Leistungselektronikanwendungen.

Einleitung

Heutige Netzteilentwickler stehen unter zunehmendem Druck, Wirkungsgrade bei der Leistungsumwandlung von 90 % und sogar noch höher zu erzielen. Dieser Trend wird durch die Nachfrage nach längerer Akkulaufzeit in tragbaren Elektronikgeräten, dem Internet der Dinge und der Nachfrage nach „grüneren“ Produkten, die weniger Strom verbrauchen, bestimmt. Viele Designs ersetzen Silizium-FETs und IGBTs durch GaN- oder SiC-Schaltelemente. Wie immer sorgt der Druck der Markteinführungszeit weiterhin für schnellere (aber dennoch genaue) Tests.

Die MSOs der Serien 4, 5 und 6 ermöglichen mit ihren FlexChannel^® -Eingängen und innovativen grafischen Benutzeroberflächen den Designern, mehrere Messpunkte gleichzeitig zu testen, wodurch die Prüfung beschleunigt wird. Die erweiterte Option für Leistungsmessung und -analyse (4-PWR, 5-PWR und 6-PWR) automatisiert den Einrichtungsprozess für wichtige Leistungsmessungen und bietet Werkzeuge zur Bewertung von Testergebnissen auf der Grundlage von Normen und Standards in der Netzteilentwicklung.

Dieser Anwendungshinweis bietet einen Überblick darüber, wie wichtige Messungen an Netzteilen mit einem Tektronix MSO-Oszilloskop der Serien 4, 5 oder 6 und der 4-PWR, 5-PWR oder 6-PWR Leistungsanalyse-Software durchgeführt werden können.

Vorbereitung für Labor-Netzgerät Messungen

Um genaue Messungen zu erhalten, muss das Leistungsmesssystem korrekt eingerichtet sein, um Signalformen präzise für die Analyse und Fehlerbehebung zu erfassen. Wichtige dabei zu berücksichtigende Themen sind:

• Beseitigung des Versatzes zwischen Spannungs- und Stromtastköpfen
• Beseitigen des Tastkopf-Offset
• Entmagnetisierung Ihres Stromtastkopfs

Beseitigen des Versatzes zwischen Spannungs- und Stromtastköpfen

Um Leistungsmessungen mit einem Oszilloskop durchzuführen, ist es notwendig, die Spannung über und den Strom durch den Prüfling zu messen. Diese Aufgabe erfordert zwei separate Tastköpfe: einen Spannungstastkopf (oftmals ein Hochspannungs-Differentialtastkopf) und einen Stromtastkopf. Jeder Spannungs- und Stromtastkopf hat seine eigene charakteristische Ausbreitungsverzögerung, und die Flanken, die in diesen Signalformen erzeugt werden, sind wahrscheinlich nicht ausgerichtet. Der Unterschied in den Verzögerungen zwischen dem Stromtastkopf und dem Spannungstastkopf, bekannt als Versatz, verursacht ungenaue Amplituden- und Timingmessungen.

Da Versatz eine Zeitverzögerung verursacht, kann er zu ungenauen Messungen von Zeitunterschieden, Phase und Leistungsfaktor führen. Viele Messsysteme können „geräteinterne Verzögerungen“ automatisch kalibrieren, doch wenn Sie Ihrem System Tastköpfe hinzufügen, müssen Sie Unterschiede bei Tastkopfverstärkern und Kabellängen ausgleichen.

Die MSOs der Serien 4, 5 oder 6 ermöglichen es Ihnen, die Verzögerungen von Ihren Tastkopfspitzen zum Messsystem zu kompensieren, um sicherzustellen, dass Sie die genauesten Zeitmessungen vornehmen können. Sie können die Tastköpfe manuell entzerren, indem Sie Ihre Tastköpfe an dieselbe Signalquelle anschließen und dem Signalpfad des schnelleren Signals eine Verzögerung hinzufügen. Dadurch können die Signale zeitlich ausgerichtet werden, ohne physisch Kabellänge zum kürzeren Tastkopfkabel hinzufügen zu müssen.

Abbildung 1. Statische Skew-Kompensation zwischen einem Differenzspannungs-Tastkopf und Stromtastkopf VOR der Justierung. Diese Tastköpfe verfügen über einen internen Speicher, der ihre nominellen Laufzeitverzögerungen speichert.

Die MSOs der Serien 4, 5 und 6 bieten auch eine „statische“ Entzerrungsfunktion per Knopfdruck. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für den Versatz zwischen zwei TekVPI®-Leistungstastköpfen. Das Oszilloskop liest die nominellen Laufzeitverzögerungen von den Tastköpfen aus und berechnet einen Unterschied von etwa 1,48 ns Verzögerung zwischen den beiden Tastköpfen. Durch einfaches Drücken der Taste „OK, Versatzausgleich“ wird die relative Zeitsteuerung zwischen den Signalen angepasst.

Abbildung 2 zeigt denselben Testaufbau wie in Abbildung 1, nachdem die statische Entzerrungsfunktion ausgeführt wurde. Wenn keine Tektronix-Tastköpfe verwendet werden, müssen Sie den Versatz der Spannungs- und Stromwellenformen manuell ausgleichen und die Einstellungen des Stromtastkopfes konfigurieren.

Abbildung 2 zeigt denselben Testaufbau, der in Abbildung 1 verwendet wurde, nachdem die statische Deskew-Funktion ausgeführt wurde. Wenn Nicht-Tektronix-Tastköpfe verwendet werden, müssen Sie den Versatz der Spannungs- und Stromwellenformen manuell korrigieren und die Einstellungen des Stromtastkopfs konfigurieren.

BESEITIGUNG VON TASTKOPF-OFFSETS

Differenztastköpfe können einen leichten Spannungs-Offset aufweisen. Dieser Offset kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen und sollte vor der Durchführung von Messungen entfernt werden. Die meisten Spannungsdifferenztastköpfe verfügen über integrierte Gleichstrom-Offset-Einstellregler, was die Beseitigung des Offsets zu einem relativ einfachen Vorgang macht.

Ähnlich kann es erforderlich sein, den Offset von Stromtastköpfen vor Messungen anzupassen. Der Offset von Stromtastköpfen wird angepasst, indem der Gleichstrom auf einen Mittelwert von 0 Ampere oder so nah wie möglich genullt wird. TekVPI-Tastköpfe, wie der TCP0030A AC/DC-Stromtastkopf, verfügen über eine automatische Entmagnetisierungs-/AutoZero-Prozedur, die so einfach ist wie das Drücken einer Taste auf der Tastkopfkompensationsbox, wie in **Abbildung 3** gezeigt.

Abbildung 3. Tektronix TCP0030A AC/DC-Stromtastkopf mit Entmagnetisierung/AutoZero.

Entmagnetisieren des Stromtastkopfs

Durch Entmagnetisierung wird jeglicher Restgleichfluss im Kern des Transformators beseitigt, der durch einen großen Eingangsstrom verursacht werden kann. Dieser Restgleichfluss führt zu einem Offset-Fehler, der beseitigt werden sollte, um die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen.

Tektronix TekVPI Stromtastköpfe bieten eine Entmagnetisierungs-Warnanzeige, die den Benutzer darauf hinweist, eine Entmagnetisierung durchzuführen. Eine Entmagnetisierungs-Warnanzeige ist wichtig, da Stromtastköpfe im Laufe der Zeit eine erhebliche Drift aufweisen können, was Messungen erheblich beeinflussen kann.

Bewältigung von Herausforderungen beim Testen von Halbleitern mit großer Bandlücke

Bis vor kurzem waren Schaltmessungen auf der Hochseite von Halbbrücken-Schaltstufen fast unmöglich. Jede Messung relativ zum Schaltknoten, einschließlich High-Side-VDS und Spannungen über Strom-Shunts, litt unter Verzerrungen aufgrund des signifikanten Gleichtaktspannungssignals, das das Differenzsignal beeinträchtigte. Dieses Problem verschärft sich bei Breitbandlückenbauelementen wie GaN- und SiC-Transistoren, da die Schaltfrequenzen steigen und die Notwendigkeit, brandneue Designs zu optimieren, zwingend wird. Die unübertroffene Gleichtaktunterdrückung von IsoVu-Tastköpfen und die Automatisierung der erweiterten Leistungsmessung und -analyse bilden eine unschlagbare Kombination zur Optimierung der neuesten GaN- und SiC-Designs.

{\b Abbildung 4}. Viele Labor-Netzgerät-Topologien erfordern Messungen kleiner Differenzspannungen bei hohen Gleichtaktsignalen. Zum Beispiel bewegen sich VGS auf der High-Side einer Halbbrücken-Schaltstufe oft um Hunderte von Volt relativ zu Masse auf und ab. IsoVu™ Isolierte Messsysteme bieten eine extrem hohe Gleichtaktunterdrückung.

EINGANGSANALYSE

Netzmessungen charakterisieren die Reaktion des Designs auf wechselnde Eingänge, die Strom- und Leistungsaufnahme des Designs und die Verzerrung des Netzstroms durch das Design. Einige Messungen, wie der Stromverbrauch, sind kritische Spezifikationen. Andere, wie Leistungsfaktor und Oberschwingungen, können durch Vorschriften begrenzt sein.

Messungen der Stromqualität

In 4-PWR, 5-PWR und 6-PWR sind Leistungsqualitätsmessungen ein Satz von Standard-Leistungsmessungen. Sie werden oft an Wechselstrom-Netzeingängen durchgeführt, können aber auch auf Wechselstromausgänge von Geräten wie Leistungswandlern angewendet werden. Diese Messungen umfassen:

• Frequency (Frequenz)
• Effektivspannung und Effektivstrom
• Scheitelfaktor (Spannung und Strom)
• Wirk-, Blind- und Scheinleistung
• Leistungsfaktor und Phase

Durchführung der Messung

Netzqualitätsmessungen lassen sich einfach durchführen, indem ein Differenztastkopf zur Messung der Netzspannung des Systems und ein Stromtastkopf zur Messung des Netzstroms des Systems verwendet wird. Dieselbe Einrichtung kann auch zur Messung von Stromoberwellen verwendet werden.

Abbildung 5. Leistungsqualitätsmessungen zeichnen ein detailliertes Bild der Wechselstromleitung. Die Netzspannung ist das obere Signal. Der Strom ist das rote Signal. Die Momentanleistung ist das orange Signal. Das Ergebnis-Badge (oben rechts) zeigt eine Zusammenfassung der Netzmerkmale, und die Ergebnistabelle im oberen Bereich kann für detailliertere Daten und Statistiken aktiviert werden.

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• Frequenz: Die Frequenz in Hertz der Spannungswellenform.
• V_RMS: Der Effektivwert der angezeigten Spannungswellenform
• I_RMS: Der Effektivwert der angezeigten Stromwellenform.
• Spannungs-Spitzenfaktor: Die Spitzamplitude der Spannung, dividiert durch den Effektivwert der Spannung
• I-Spitzenfaktor: Die Spitzenamplitude des Stroms geteilt durch den Effektivwert des Stroms.
• Wirkleistung: Die Wirkleistung des Systems, gemessen in Watt (W)
• Blindleistung: Die imaginäre Leistung, die vorübergehend in induktiven oder kapazitiven Elementen gespeichert ist, gemessen in Volt-Ampere-Reaktiv (VAR)
• Scheinleistung: Der Absolutwert der komplexen Leistung, gemessen in Voltampere (VA).
• Leistungsfaktor: Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung.
• Phase: Der Winkel zwischen den Vektoren der Wirk- und Scheinleistung in Grad.

OBERSCHWINGUNGEN

Stromoberschwingungen treten auf, wenn nichtlineare Geräte den Stromfluss in den Schaltkreis verzerren. Lineare Schaltungen beziehen Strom nur bei der Grundnetzfrequenz, aber nichtlineare Schaltungen beziehen Strom bei Vielfachen der Grundfrequenz, mit einer unterschiedlichen Amplitude und Phase für jede Oberschwingung.

Wenn oberwellenbehaftete Ströme durch die Impedanz des elektrischen Verteilungssystems fließen, kann dies zu Spannungsverzerrungen führen. In der Verkabelung und in Transformatoren kann es zu Wärmeentwicklung kommen. Mit zunehmender Anzahl von Schaltnetzteilen, die an das Netz angeschlossen sind, steigt auch die Oberwellenverzerrung im Netz.

Standards wurden daher entwickelt, um die Auswirkungen nichtlinearer Lasten auf die Netzqualität zu begrenzen. Standards wie IEC61000-3-2, MIL-STD-1399 und DO-160G wurden entwickelt, um Oberschwingungen zu begrenzen.

Die Norm IEC61000-3-2 beschränkt die Stromoberwellen, die in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist werden. Sie gilt für alle elektrischen und elektronischen Geräte mit einem Eingangsstrom von bis zu 16 A pro Phase, die an öffentliche Niederspannungsverteilungssysteme (230 V AC oder 415 V AC 3-phasig) angeschlossen werden. Die Norm ist weiter unterteilt in Klasse A (symmetrische 3-phasige Geräte), Klasse B (tragbare Werkzeuge), Klasse C (Beleuchtungsgeräte und Dimmvorrichtungen) und Klasse D (Geräte mit einzigartigen Stromwellenformanforderungen).

MIL-STD-1399 enthält Spezifikationen und Prüfanforderungen für Geräte (Lasten), um die Kompatibilität mit Bord-Wechselstromversorgungssystemen zu gewährleisten, von Computern und Kommunikationsgeräten bis hin zu Klimaanlagen. DO-160G-Normen gelten für luftgestützte Systeme.

Abbildung 6. Die Einrichtung einer grundlegenden Stromharmonischenanalyse erfordert nur wenige Einstellungen. Dieses Beispiel zeigt Einstellungen für eine Vorabprüfung nach Industriestandards.

Die Leistungsanalyseanwendungen erleichtern die Messung von Stromoberschwingungen. Es kann die Messergebnisse sowohl in tabellarischer als auch in grafischer Form anzeigen. Es ermöglicht Entwicklern auch, die Leistung ihrer Geräte schnell mit Konformitätsstandards zu vergleichen, bevor sie die Zertifizierung durchlaufen – ein oft zeitaufwändiger und teurer Prozess. Diese Messfunktionen im Oszilloskop beschleunigen nicht nur das Debugging, sondern können auch dazu beitragen, kurzfristige Designänderungen zur Einhaltung regulatorischer Anforderungen zu vermeiden.

Abbildung 7. Oberwellenergebnisse. Die nicht-sinusförmige Stromwellenform ist unten rechts zu sehen. Das Oberwellen-Balkendiagramm zeigt Oberwellengehalt auf einer Dezibelskala. Die ungeraden Oberwellen sind am signifikantesten, liegen aber gut innerhalb der IEC 61000-3-2 Grenzwerte.

Durchführung der Messung

Verwenden Sie einen Differenzspannungs-Tastkopf, um die Netzspannung zu messen. Verwenden Sie einen Stromtastkopf, um den Netzstrom zu messen.

Wenn Sie die Oberschwingungen in Ihrem Design mit Grenzwerten des Standards IEC 61000-3-2 vergleichen möchten, müssen die Netzfrequenz definiert und der Klassentyp ausgewählt werden. Im Falle von Standards der Klasse C oder D müssen die Eingangsleistung, der Leistungsfaktor und der Grundstrom ebenfalls eingegeben werden. Das Analysepaket lädt eine vordefinierte Grenzwerttabelle und führt Vergleiche zwischen gemessenen Oberschwingungen und Grenzwerten durch. Die Pre-Compliance-Ergebnisse werden wie in Abbildung 8 gezeigt dargestellt.

Abbildung 8. Bis zu 100 Oberwellen können in grafischer Form angezeigt werden. Die Tabelle zeigt IEC 61000-3-2 Prüfergebnisse für die vorbereitende Konformitätsprüfung. Basierend auf Ihren Einstellungen lädt das Analysepaket eine vordefinierte Grenzwerttabelle und führt Vergleiche zwischen jeder gemessenen Oberschwingung und den Grenzwerten durch.

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• Die Ergebnisse-Badge zeigt den ausgewählten Oberwellenstandard, Grundschwingungs- und 3. Harmonische Amplitude, THD-F, THD-R, RMS-Wert und Pass/Fail-Status.
• Einzelne Oberschwingungen können ausgewählt werden, und die Messwerte sind zwischen der Ergebnis-Info-Box, dem Balkendiagramm und der Ergebnistabelle miteinander verknüpft.
• Oberwellen-Ergebnistabelle beinhaltet:
• Stromoberwellen können in Einheiten von Dezibel-Mikroampere (dBµA) oder Ampere (A) angezeigt werden.

Abbildung 9. Automatische Einschaltstrommessung und Kapazitätsmessung, die am Strom auf Kanal 7 durchgeführt wird.

Einschaltstrom und Eingangskapazität

Im Allgemeinen tritt der Einschaltstrom auf, wenn ein Labor-Netzgerät zum ersten Mal eingeschaltet wird. Der Leistungswandler zieht einen relativ hohen Strom, während sich seine Eingangskapazität auflädt. Nach dem anfänglichen Einschaltstrom pendelt sich der Strom in einen stationären Zustand ein, es sei denn, es treten andere Systemänderungen auf. Einschaltstrommessungen können wichtige Informationen zum Design eines Netzteils liefern, einschließlich der Dimensionierung von Schutzvorrichtungen. In Extremfällen kann der Einschaltstrom Spannungsabfälle auf der Wechselstromleitung verursachen.

Die Stromanalyse-Software bietet eine automatisierte Einschaltstrommessung. Sie identifiziert Einschaltbereiche und kommentiert sie auf dem Display. Dann berechnet sie den Einschaltstrom innerhalb dieses Bereichs.

Einschaltstrom und Eingangskapazität stehen in direktem Zusammenhang, und beide liefern wichtige Erkenntnisse über die Anlaufeigenschaften eines Leistungswandlers.

Abbildung 10. Der Einschaltstrom tritt beim Einschalten eines Netzteils auf. Die Stromwellenform zeigt allmählich abnehmende Spitzen, bevor sie den stationären Zustand erreicht.

Abbildung 11. Schaltverlustmessungen. Die obere Kurve (orange) wird durch Multiplikation von Strom und Spannung für die Momentanleistung berechnet. Verlustmessungen werden an der Momentanleistungssignalform durchgeführt. Jeder Verlustbereich ist mit farbigen Markern versehen, die Messbeschriftungen entsprechen. Die unteren Signalformen sind die Spannung am Schalter und der Strom durch den Schalter.

Schaltanalysen

Messungen in den Schaltstufen des Labor-Netzgeräts bestätigen, dass der Wandler ordnungsgemäß funktioniert, quantifizieren Verlustquellen und bestätigen, dass die Geräte innerhalb normaler Bereiche betrieben werden.

Schaltverlustmessungen

Einschaltverluste treten auf, wenn verschiedene physikalische und parasitäre Kondensatoren geladen werden, Spulen magnetische Felder erzeugen und es zu damit verbundenen transienten ohmschen Verlusten kommt. Ebenso ist beim Abschalten der Schaltstromversorgung noch Energie zum Entladen und zur Interaktion mit verschiedenen Komponenten vorhanden, obwohl die Hauptstromversorgung getrennt wurde, sodass auch hier Verluste auftreten.

Durchführung der Messung

Um eine Schaltverlustmessung durchzuführen, muss das Oszilloskop die Spannung am Schaltbauteil und den Strom durch das Bauteil messen. Die Schaltverlustergebnisse werden wie in Abbildung 11 dargestellt.

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• Einschalt: Der Mittelwert der Einschaltleistungs- und Energieverlustwerte für jeden Zyklus
• Toff: Der Mittelwert der Einschaltleistungs- und Energieverlustwerte für jeden Zyklus
• Total: Der Mittelwert aus der gesamten mittleren Verlustleistung und den mittleren Energiewerten für jeden Zyklus
• Mit den Pfeiltasten „nach links“ und „nach rechts“ können Sie die Schaltzyklen durchlaufen und Problembereiche genau lokalisieren.
• Messergebnisse können auch in einer Ergebnistabelle angezeigt werden. Die Tabelle zeigt die akkumulierten Messergebnisse für alle Schaltzyklen zur schnellen Überprüfung.

Abbildung 12. RDS(on)-Messung. Die Ch1 (gelb) Wellenform ist die FET-VDS-Spannung und die Ch2 (cyan) Wellenform ist der FET-Strom. Die Wellenformen sind phaseninvertiert, um korrekt anzuzeigen, dass der Strom im Leitungsbereich hoch ist. Die Mathematik stellt den RDSon-Wert dar und die Ergebnisplakette zeigt den minimalen RDSon-Wert, berechnet gemäß der Math-Wellenform. In diesem Fall beträgt er 1,13 mOhm. 

RDS (ein)

Diese Messung charakterisiert den Drain-Source-Widerstand des Schaltelements während der Durchlassphase des Schaltzyklus, wenn das Bauteil eingeschaltet ist und Strom leitet. Der dynamische Durchlasswiderstand ist das Verhältnis der Spannung über dem Bauteil, wenn es eingeschaltet ist, zu dem Strom, der durch das Bauteil fließt. Mithilfe der Cursor-Gating-Funktion können Sie den RDS(on) genau messen, einen wichtigen Verursacher von Verlusten im Schaltelement.

 

 

Abbildung 13. Diagramm des sicheren Arbeitsbereichs (SOA) eines Transistors.

Sicherer Betriebsbereich

Der sichere Betriebsbereich (SOA) eines Schalttransistors definiert den Strom, der sicher durch den Transistor bei einer gegebenen Spannung fließen kann. Der SOA wird üblicherweise im Datenblatt von BJT-, MOSFET- oder IGBT-Schalttransistoren definiert. Sie wird als Darstellung von V_CE (oder V_DS für einen FET) gegen I_CE (oder I_DS) angegeben und beschreibt die Bereiche, in denen der Transistor ohne Beeinträchtigung oder Beschädigung betrieben werden kann.

Leistungsanalyse-Software ermöglicht es Ihnen, die SOA aus dem Gerätedatenblatt in das MSO der Serien 4, 5 oder 6 zu übertragen. Dann können Sie Spannung und Strom am tatsächlichen, im Stromkreis befindlichen Gerät messen, während Sie die Betriebsbedingungen Ihres Labor-Netzgeräts variieren. Das Oszilloskop zeichnet die U-I-Kennlinien auf und kann anzeigen, ob Parameter außerhalb der SOA liegen.

Durchführung der Messung

Eine der größten Herausforderungen bei der Bestimmung des sicheren Betriebsbereichs (SOA) eines Transistors im Betrieb in einem Labor-Netzgerät ist die genaue Erfassung von Spannungs- und Stromdaten unter verschiedenen Lastszenarien, Temperaturänderungen und Schwankungen der Netzeingangsspannungen. Das Analysepaket vereinfacht diese Aufgabe durch die Automatisierung von Datenerfassung und -analyse. Der Messaufbau erfordert das Messen der Spannung über und des Stroms durch den Schalttransistor.

Der nächste Schritt besteht darin, die SOA-Maske einzurichten. Wie in Abbildung 15 dargestellt, können Sie im SOA-Maskeneditor die SOA-Grenzwerte für den Transistor eingeben, wie sie in seinem Datenblatt oder nach Ihren eigenen Standards definiert sind.

Abbildung 14. SOA mit 5-PWR. Wenn die Datenpunkte innerhalb der Maskenzone liegen, sind sie gelb, um „bestanden“ anzuzeigen, und wenn sie außerhalb der Maskenzone liegen, sind sie rot, um „nicht bestanden“ anzuzeigen. In diesem Beispiel ist die U-I-Kurve außerhalb des SOA gelangt, wodurch das Schaltgerät übermäßiger Beanspruchung ausgesetzt ist.

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Nach Abschluss des Aufbaus werden die SOA-Testergebnisse wie in Abbildung 14 gezeigt dargestellt. Die Spannungs- und Stromkurven werden in einer einzigen Aufzeichnung im XY-Modus dargestellt. Die Grafik zeigt alle Daten für einen einzelnen Erfassungszyklus.

Abbildung 15. SOA-Masken-Editor-Fenster. Die Maske wird durch einen Satz von (Spannung, Stromstärke) Koordinaten definiert, die aus dem Datenblatt des Schaltgeräts entnommen werden, oder kann benutzerdefiniert sein.

Das Ergebnis-Badge zeigt an, wie oft das Gerät die SOA-Maske verlassen hat, und liefert ein Pass/Fehler-Ergebnis.

Magnetische Analyse

Induktivitäten und Transformatoren werden sowohl in Schaltnetzgeräten als auch in linearen Netzgeräten als Energiespeicher verwendet. Einige Netzgeräte verwenden auch Induktivitäten in Filtern an ihrem Ausgang. Angesichts ihrer wichtigen Rolle in Leistungswandlern ist es unerlässlich, diese magnetischen Komponenten zu charakterisieren, um die Stabilität und den Gesamtwirkungsgrad des Netzteils zu bestimmen.

Die Magnetik-Analyse in 4/5/6-PWR automatisiert die folgenden Messgruppen: Induktivität, magnetischer Verlust und B-H-Parameter.

Induktivität

Induktivitäten weisen eine mit der Frequenz zunehmende Impedanz auf und behindern höhere Frequenzen mehr als niedrigere Frequenzen. Dieses Verhalten wird als Induktivität bezeichnet und in Henries gemessen. Die Induktivität von Geräten kann automatisch mit einem Oszilloskop gemessen werden, das mit einer Leistungsanalyse-Software ausgestattet ist.

Durchführung der Messung

Die 4/5/6-PWR-Anwendungen integrieren die Spannung über die Zeit und dividieren durch die Stromänderung, um den Induktivitätswert zu berechnen. Messungen werden durch Abtasten der Spannung an und des Stroms durch die magnetische Komponente durchgeführt. Die Induktivitätsmessergebnisse werden zusammen mit mehreren anderen Messungen in Abbildung 15 dargestellt. Die gelbe (K1) Wellenform ist die Spannung am Induktor und die cyanfarbene (K2) Wellenform ist der Strom durch den Induktor. Beachten Sie, dass die B-H-Kurve ebenfalls angezeigt wird.

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Induktivität: Der Induktivitätswert des Geräts oder der Schaltung.

Magnetischer Verlust

Eine Analyse der magnetischen Leistungsverluste ist ein wesentlicher Bestandteil einer umfassenden Verlustanalyse eines Schaltnetzteils. Die beiden primären magnetischen Verluste sind Kernverluste und Kupferverluste. Der Widerstand des Kupferwicklungsdrahtes trägt zu den Kupferverlusten in einem Labor-Netzgerät bei. Kernverluste sind eine Funktion von Wirbelstromverlusten und Hystereseverlusten im Magnetkern. Kernverluste sind unabhängig vom Gleichstromfluss, werden aber durch den Wechselstromfluss und die Betriebsfrequenz beeinflusst.

Durchführung der Messung

4/5/6-PWR können den magnetischen Verlust in einer Einzelwicklungsinduktivität, einer Mehrfachwicklungsinduktivität oder sogar einem Transformator berechnen.

Im Falle eines Einwickeltransformators wird ein Differentialtastkopf angeschlossen, um die Spannung über die Primärwicklung zu messen. Ein Stromtastkopf misst den Strom durch den Transformator. Das Oszilloskop und die Software für Leistungsmessungen können dann automatisch den magnetischen Leistungsverlust berechnen.

Die Magnetkraftverlust-Ergebnisse werden wie in Abbildung 16 dargestellt.

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Leistungsverlust: Der gesamte Leistungsverlust aufgrund der magnetischen Komponente.

MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN (B-H-KURVE)

Die magnetische Flussdichte B, gemessen in Tesla, ist die Stärke des Magnetfeldes. Sie bestimmt die Kraft, die von dem Magnetfeld auf eine bewegte Ladung ausgeübt wird. Die Magnetfeldintensität oder Feldstärke H, gemessen in A/m, wird als Magnetisierungskraft bezeichnet. Die magnetische Permeabilität eines Materials, µ, wird in H/m gemessen. Sie misst den Magnetisierungsgrad des Materials aufgrund des angelegten Magnetfeldes.

Physikalische Eigenschaften wie die magnetische Länge und die Anzahl der Windungen um den Kern helfen, B und H des magnetischen Materials zu bestimmen. B-H-Kurvendarstellungen werden oft verwendet, um die Sättigung (oder das Fehlen davon) der magnetischen Elemente in einer Schaltversorgung zu überprüfen und ein Maß für die pro Zyklus verlorene Energie in einem Einheitsvolumen des Kernmaterials zu liefern. Die Kurve stellt die magnetische Flussdichte, B, gegen die Feldstärke, H, dar. Da sowohl B als auch H von den physikalischen Eigenschaften der magnetischen Komponente abhängen, wie der magnetischen Länge und der Anzahl der Windungen um den Kern, definieren diese Kurven den Leistungsbereich des Kernmaterials der Komponente.

Abbildung 16. Magnetische Messungen an einer Spule. Das Ch1-Signal (gelb) ist die Spannung an der Spule, und das Ch2-Signal (cyan) ist der Spulenstrom. Die B-H-Kurve wird in der Mitte des Displays angezeigt. Induktivität, magnetische Verluste und magnetische Eigenschaften werden in den Ergebnis-Badges auf der rechten Seite angezeigt.

Durchführung der Messung

Um eine B-H-Kurve zu erzeugen, werden die Spannung über dem magnetischen Element und der Strom, der hindurchfließt, gemessen. Im Falle eines Transformators sind die Ströme durch die Primär- sowie Sekundärwicklungen von Interesse. Die Windungszahl der Induktivität (N), die magnetische Länge (l) und die Querschnittsfläche des Kerns (Ae) müssen zunächst im Konfigurationspanel eingegeben werden, bevor die Leistungsanalysesoftware eine B-H-Kurve berechnen kann.

Ein Hochspannungs-Differentialtastkopf ist mit Kanal 1 des Oszilloskops und über der Primärwicklung des Transformators verbunden. Diese gemessene Spannung ist das Ergebnis der magnetischen Induktion B der magnetischen Komponente. Kanal 2 misst den Strom durch die Primärwicklung mit einem Stromtastkopf. Stromtastköpfe werden bei Bedarf auch verwendet, um den Strom durch die Sekundärwicklungen auf Kanal 3 und Kanal 4 zu messen. Die Leistungsanalysesoftware kann dann den Magnetisierungsstrom unter Verwendung der Daten von den Oszilloskopkanälen 2, 3 und 4 berechnen. Der Magnetisierungsstromwert wird dann verwendet, um die H-Komponente zu bestimmen.

Die Ergebnisse der magnetischen Eigenschaft werden wie in Abbildung 16 gezeigt dargestellt.

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• ΔB: Die Änderung der Flussdichte
• ΔH: Änderung der Feldstärke.
• Permeabilität: Der Grad der Magnetisierung des Materials.
• Bpeak: Die maximale magnetische Flussdichte, die in einer magnetischen Komponente induziert wird
• Br: Der Punkt auf der Kurve, bei dem H = 0 ist, B aber immer noch einen positiven Wert hat. Dies wird als Remanenz der Komponente bezeichnet, ein Maß für ihre Retentivität. Je höher die Remanenz, desto mehr Magnetisierung behält das Material bei.
• Hc: Der Punkt auf der Kurve, an dem B = 0 und H ein negativer Wert ist. Dies stellt das externe Feld dar, das erforderlich ist, damit B null erreicht. Dieser Wert von H wird als Koerzitivfeldstärke bezeichnet. Ein geringer Wert der Koerzitivfeldstärke bedeutet, dass das Bauteil leicht entmagnetisiert werden kann.
• Hmax: Der Maximalwert von H am Schnittpunkt der H-Achse und der Hystereseschleife
• I-Ripple: Der Spitze-Spitze-Wert des Stroms

Abbildung 17. Ein Trenntransformator/Einspeisetransformator wird verwendet, um die geerdete Signalquelle vom potentialfreien Einspeisewiderstand zu isolieren.

Frequenzantwortanalyse

Regelkreisreaktion

Die Regelkreisverhalten-Analyse (oft Bode-Diagramme genannt, nach den resultierenden Kurven) hilft, den Frequenzgang eines Regelkreises für Labor-Netzgerät zu charakterisieren. Das Bode-Diagramm stellt die Verstärkung und Phasenverschiebung des Regelkreises dar, berechnet über einen Frequenzbereich, und liefert wertvolle Informationen über die Geschwindigkeit des Regelkreises und die Stabilität des Labor-Netzgeräts. Es kann mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) gemessen werden, aber auch mit einem Oszilloskop und Funktionsgenerator.

Um die Antwort eines Stromsystems zu messen, muss ein bekanntes Signal in die Rückkopplungsschleife eingespeist werden. Für diese Messung wird die Arbiträr-/Funktionsgenerator (AFG)-Option der 4/5/6-Serie verwendet, um Sinuswellen über einen bestimmten Frequenzbereich hinweg zu generieren. Der DC-DC-Wandler oder LDO muss mit einem kleinen (5–10 Ω) Injektionswiderstand/Terminierungswiderstand in seiner Rückführungsschleife konfiguriert werden, damit ein Störsignal vom Funktionsgenerator in die Schleife eingespeist werden kann.

Ein Einspeisetransformator mit einem flachen Frequenzgang über eine große Bandbreite ist an den Einspeisewiderstand angeschlossen und isoliert die geerdete Signalquelle vom Labor-Netzgerät. Der Picotest J2101A Einspeisetransformator hat einen Bereich von 10 Hz–45 MHz, der gut zur Funktionsgenerator-Option für die MSO der Serien 4/5/6 passt. Niederkapazitive, dämpfungsarme passive Tastköpfe wie der TPP0502 werden für die Spannungsmessungen empfohlen. Dies ermöglicht Messungen mit einer vertikalen Empfindlichkeit von 500 µV/div auf dem MSO der Serie 6 und 1 mV/div auf dem MSO der Serien 4/5.

Abbildung 18.Die Start- und Stoppfrequenz, Amplitude und Punkte pro Dekade bestimmen den Stimulus, den der Generator in den Regelkreis einspeist.

Abbildung 19. Ein Amplitudenprofil kann verwendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von Messungen zu verbessern. Es ermöglicht die Anwendung niedrigerer Amplituden bei Frequenzen, bei denen der Prüfling (DUT) empfindlich auf Störungen reagiert, und höherer Amplituden bei Frequenzen, bei denen er weniger empfindlich ist.

Nachdem die Verbindungen hergestellt wurden, muss der Stimulus-Sweep konfiguriert werden. Die 4/5/6-PWR Software unterstützt Methoden mit konstanter Amplitude und Profilamplitude. Der Sweep mit konstanter Amplitude behält die gleiche Amplitude bei allen Frequenzen bei. Die Profilmethode ermöglicht es Ihnen, unterschiedliche Amplituden in von Ihnen definierten Frequenzbändern anzugeben. Die Amplitudenprofilmethode kann verwendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Messungen zu verbessern.

Abbildung 20. Die Software berechnet die Verstärkung (grüne Kurve) als 20log (Vout/Vin). Die rote Kurve stellt die Phasenverschiebung zwischen dem eingespeisten Signal und dem Ausgang relativ zu -180° dar. Der Phasenrand (PM) wird dort gemessen, wo die Verstärkungskurve null dB kreuzt. Die Amplitudenreserve (GM) wird gemessen, wenn die Phasenkurve die Null-Grad-Marke überschreitet. Die Tabelle zeigt Verstärkung und Phase bei jeder Frequenz.

Der Phasenrand wird bei der Verstärkungsdurchtrittsfrequenz gemessen, die bei der Frequenz auftritt, bei der die Verstärkungskurve 0 dB kreuzt. Der entsprechende Punkt auf dem Phasenplot ergibt den Phasenrand.

Die Amplitudenreserve wird bei der Phasendurchtrittsfrequenz gemessen, die auftritt, wenn die Phase -180° durchläuft. Da die Phase relativ zu -180° aufgetragen wird, zeigt sich dies als Nulldurchgang. Der entsprechende Verstärkungswert bei dieser Phasendurchtrittsfrequenz ergibt die Amplitudenreserve.

Abbildung 21. Die PSRR-Kurve zeigt die Dämpfung der an den Eingang der Versorgung angelegten Wechselspannung am Ausgang der Versorgung.

Labor-Netzgerät-UNTERDRÜCKUNGSVERHÄLTNIS (PSRR)

Der Versorgungsspannungsdurchgriff beschreibt die Fähigkeit einer Stromversorgung, das Auftreten von AC-Rauschen am Eingang auf ihrem DC-Ausgang zu verhindern. Um einen PSRR-Test durchzuführen, wird ein durchlaufender sinusförmiger Stimulus am Eingang der Stromversorgung angelegt. Ein DC + AC Netzwerk-Summiergerät, wie der J2120A Line-Injektor von Picotest, wird für diese Messung benötigt.

Abbildung 22. Ein Netzeinspeiser wird verwendet, um ein Wechselstromsignal vom Funktionsgenerator dem DC-Eingang des Labor-Netzgerät hinzuzufügen.

Die 5/6-PWR-Software automatisiert den Sweep und führt Messungen der Eingangs- und Ausgangssignale bei jeder Frequenz durch. Es berechnet das Dämpfungsverhältnis als 20 log (Vin/Vout) bei jeder Frequenz innerhalb des Frequenzbands und stellt die Messungen auf dem Display dar.

Abbildung 23. Impedanzmessaufbau. Stromschienen-Tastköpfe bieten eine hohe Empfindlichkeit und hohe Impedanz bei Gleichstrom sowie 50 Ω AC-Eingangsimpedanz für geringe Belastung. Alternativ kann ein P6150-Tastkopf verwendet werden, falls vorhanden, oder ein SMA-Kabel mit DC-Block.

Impedanzmessungen

Die Charakterisierung der Impedanz eines Stromverteilernetzes hilft, den Einfluss von Rauschen innerhalb des Systems zu bestimmen. Die Impedanzkurve stellt die Impedanzwerte über ein spezifisches Frequenzband dar. Das Prüfobjekt kann die kombinierte Impedanz des PDN einschließlich Leiterbahnen und Kondensatoren oder eine Komponente oder ein Teilsystem wie ein Spannungsreglermodul (VRM) sein.

Impedanzmessungen werden oft mit VNAs durchgeführt, jedoch kann ein typischer VNA nicht bei niedrigen Frequenzen oder niedrigen Impedanzwerten < 10 mΩ messen. Das Oszilloskop-basierte System kann Frequenzen bis hinunter zu 1 Hz messen. Die Oszilloskop-basierte Lösung bietet auch eine Anzeige der Eingangs- und Ausgangssignale des Prüflings während des Sweeps, sodass Zeitbereichsänderungen beobachtet werden können.

Das Oszilloskop hat auch den Vorteil, Zeitbereichswellenformen anzuzeigen, einschließlich des Stimulussignals und der Antwort, während die Analyse durchgeführt wird. Dies ist mit einem VNA nicht möglich.

Um die Messung durchzuführen, muss das geerdete Oszilloskop vom Prüfling isoliert werden. Ein Picotest J2113A Differenzverstärker-Transformator erfüllt diesen Zweck im Beispielsystem, das in Abbildung 23 dargestellt ist. Ein 50-Ω-Leistungsteiler wird verwendet, um das Signal vom Funktionsgenerator zum Prüfling und Kanal 1 am Oszilloskop zu senden.

Abbildung 24. Ein Impedanz-Frequenz-Messdiagramm. Die Kurve weist drei Spitzen auf, die Änderungen der Impedanzwerte bei variabler Frequenz anzeigen. Ziel ist ein flaches Impedanzdiagramm, wobei alle Spitzen unter der Zielimpedanz liegen. Mit Cursorn kann jeder Punkt auf der Kurve gemessen werden.

AUSGANGSANALYSE

Der Ausgang eines beliebigen Gleichspannungsnetzteils muss auf Regelung und Rauschen hin bewertet werden. Die 4/5/6-PWR Advanced Power Measurement and Analysis Software enthält Tools zum Quantifizieren und Klassifizieren von Ripple.

Netz- und Schalt-Ripple

Der Ripple ist, einfach ausgedrückt, der Wechselspannungsanteil, der dem Gleichstromausgang eines Netzteils überlagert ist. Sie wird als Prozentwert der normalen Ausgangsspannung oder als Spitze-Spitze-Spannung angegeben.

Es gibt zwei Arten von Welligkeit, die am Ausgang eines Netzteils auftreten. Die Netz-Welligkeit misst die Menge der Welligkeit, die mit der Netzfrequenz zusammenhängt. Die Schalt-Welligkeit misst die Menge der Welligkeit, die vom Schaltnetzteil-Ausgang basierend auf der von Ihnen identifizierten Schaltfrequenz erkannt wird.

Der Ausgangs-Netz-Ripple entspricht in der Regel der doppelten Netzfrequenz; der Schalt-Ripple hingegen ist typischerweise mit Rauschen gekoppelt und liegt im kHz-Frequenzbereich. Die Trennung von Netz-Ripple und Schalt-Ripple ist eine der größten Herausforderungen bei der Labor-Netzgerätcharakterisierung. Leistungsanalysesoftware vereinfacht diese Aufgabe erheblich.

Durchführung der Messung

Zum Messen der Restwelligkeit des Systems wird nur ein Spannungstastkopf benötigt. Der Differenztastkopf muss an den Ausgang des Systems angeschlossen werden, um die Ausgangs-Netz- und Schalt-Ripple-Spannungen zu messen.

Abbildung 25. Konfiguration der Netz-Welligkeit-Registerkarte für 5-PWR.

Die Konfigurationsregisterkarten (siehe Abbildung 25) für Netz- und Schalt-Ripple sind sehr ähnlich. Beide Ripple-Messungen erfordern die Auswahl des Eingangskopplungsmodus (AC oder DC), der erforderlichen Bandbreitenbegrenzung (20 MHz, 150/250 MHz oder Voll) und des Erfassungsmodus des Oszilloskops: Abtastung, Spitzenwerterfassung oder hohe Auflösung (High Res). Im Fall einer Netz-Ripple-Messung muss die Netzfrequenz des Systems, 50 Hz oder 60 Hz oder 400 Hz, definiert werden. Schalt-Ripple-Messungen erfordern die Spezifikation der Schaltfrequenz.

Nachdem die Messung konfiguriert wurde, werden die Ergebnisse wie in Abbildung 26 dargestellt.

Abbildung 26. Schalt-Ripple-Ergebnisse.

MEASE RESULTSGER

Spitze-Spitze- und Effektiv-Welligkeitswerte: Dies sind die Spitze-Spitze- und Effektiv-Spannungswerte der Netz- oder Schaltwelligkeit des Systems.

Abbildung 27. Effizienzmessung, bei der eine einzelne Wechselspannung und Stromstärke zur Bestimmung der Eingangsleistung verwendet werden und die Leistung an drei Ausgängen gleichzeitig gemessen wird, um die Gesamteffizienz zu ermitteln.

Effizienz

Eine hohe Effizienz von Geräten oder Produkten ist ein entscheidendes Unterscheidungsmerkmal im heutigen Wettbewerbsumfeld. Die Software für erweiterte Leistungsmessungen und -analyse ermöglicht es Ihnen, die Effizienz Ihrer Produkte zur Leistungsumwandlung (AC-DC, AC-AC, DC-DC, DC-AC) einfach zu messen. Für Leistungsprodukte mit bis zu 3 Ausgängen ermöglicht die Software für erweiterte Leistungsmessungen und -analyse Entwicklern, die Effizienz des gesamten Systems auf einmal zu testen, um Test- und Validierungszeiten zu verkürzen.

Abbildung 27 zeigt die Ergebnisse einer Effizienzmessung an einem AC-AC-Wandler mit 1 Eingang und 3 Ausgängen, unter Verwendung eines Demoboards und mathematischer Signale zur Simulation eines Geräts mit mehreren Ausgängen. Jede Eingangs- und Ausgangsspannung sowie jeder Strom werden gemessen (oder in diesem Fall simuliert):

• Ch 3: Eingangsspannung
• Kanal 4: Eingangsstrom
• Kanal 7: Ausgangsspannung 1
• Kanal 8: Ausgang 1 Strom
• Mathematik 3: Ausgangsspannung 2
• Math 4: Ausgang 2 Strom
• Mathematik 6: Ausgang 3 Spannung
• Mathematik 7: Ausgangsstrom 3

Beachten Sie die Verwendung benutzerdefinierter Beschriftungen im obigen Beispiel, die eine einfache Identifizierung ermöglichen. Die Anwendungssoftware erstellt bei Bedarf automatisch mathematische Leistungssignale. Im obigen Beispiel wurden diese Signale automatisch erstellt:

• Math 1: Eingang 1 Leistung
• Math 2: Ausgang 1 Leistung
• Mathematik 5: Ausgang 2 Leistung
• Mathe 8: Ausgang 3 Leistung

Abbildung 28. Die Konfiguration der Effizienzmessung ermöglicht es dem Benutzer, den Signaltyp und bis zu 3 Ausgänge zu konfigurieren.

Die Anwendung berechnet individuelle Wirkungsgrade und den Gesamtwirkungsgrad des Prüflings und zeigt sie im Ergebnis-Badge an. Man kann die Ergebnistabelle auch öffnen und den Bericht entweder im .MHT- oder PDF-Format speichern.

Abbildung 29. Einschaltzeitmessungen finden die Verzögerung zwischen dem Anlegen der Eingangsleistung und einem stationären Ausgang.

Zeit aktivieren

Die Einschaltzeit ist die Zeit, die benötigt wird, um die Ausgangsspannung des Labor-Netzgeräts zu erreichen, nachdem die Eingangsspannung angelegt wurde. Ein Kanal wird zur Messung des Eingangs verwendet, und jeder der verbleibenden Kanäle des Oszilloskops kann zur Messung der Ausgänge verwendet werden. Dies ermöglicht die Messung mehrerer Stromschienen in einer einzigen Erfassung.

Abbildung 30. Ausschaltzeitmessungen ermitteln die Verzögerung zwischen der Entfernung der Eingangsleistung und einem nahezu Null-Ausgang.

Zeit deaktivieren

Die Abschaltzeit ist die Zeit, die benötigt wird, um die Ausgangsspannung des Netzteils nach dem Entfernen der Eingangsspannung nahe Null zu bringen.

Die Technik für Einschaltzeitmessungen von AC-DC- und DC-DC-Wandlern kann auf die Überprüfung der Power-Up- und Power-Down-Sequenzen von Netzteilen mit mehreren Ausgängen erweitert werden.

Die Zeitsteuerung und Reihenfolge der Netzteil-Ausgänge beim Ein- und Ausschalten ist entscheidend für den zuverlässigen Betrieb der Endprodukte und ermöglicht es Geräten, ohne Unterbrechung zu funktionieren. Entwickler werden daran interessiert sein, ihre Endgeräte abzustimmen, beispielsweise wenn eine USV innerhalb der angegebenen Zeit in den Beharrungszustand zurückkehrt. Zum Beispiel wird die Batterie geladen, um kontinuierlich Gleichstrom auszugeben, und das Wechselrichtersystem speist kontinuierlich ins Wechselstromnetz ein. Wenn die Stromversorgung ausfällt, liefert die Batterie Strom an den Wechselrichter. Die Ausschaltzeit ist wichtig, damit die Batterie innerhalb der angegebenen Zeit aktiv wird.

Wechselrichter-Ride-Through-Analyse 

Netzgekoppelte Wechselrichtersysteme müssen Inselnetzschutzfunktionen umfassen, um unbeabsichtigte Inselbildung bei Netzschwankungen zu verhindern. Um diese Anforderungen zu erfüllen, muss die Wechselrichterleistung anhand internationaler Standards wie CEA, IEEE 1547 und EVS-EN 50549 überprüft werden. Diese Standards umfassen Durchfahrzeiten, die festlegen, wie lange ein netzgekoppelter Wechselrichter oder „intelligenter Wechselrichter“ das Netz im Falle einer Netzunterspannung oder Überspannung weiterhin unterstützen muss.

Leistungsanalysesoftware für MSO-Oszilloskope der Serien 4, 5 und 6 B unterstützt automatisierte Ride-Through-Konformitätstests. Messungen finden Sie unter Green Power Analysis und umfassen LVRT (Low Voltage Ride Through) und HVRT (High Voltage Ride Through). 

**Abbildung 31.** Grüne Leistungsanalyse verfügbar im erweiterten Leistungsmess- und Analysepaket (Opt. PWR) 

Beide Messungen basieren auf Spannungs- und Zeitmasken, die „Sperrbereiche“ definieren, durch die die Effektivspannung nicht passieren darf. Die Grenzwerte für diese Masken werden durch die Standards definiert, und benutzerdefinierte Masken können ebenfalls definiert werden.

Low Voltage Ride Through (LVRT) bewertet die Leistung des Wechselrichters im Falle eines anhaltenden Netzeinbruchs. Die Messung wird eingeleitet, wenn die effektive Netzspannung unter einen bestimmten Wert fällt und das Oszilloskop Fehler kennzeichnet, wenn der Wechselrichter das Netz für die erforderliche Zeit nicht unterstützt.

Abbildung 32. Einstellung für Niederspannungs-Ride-Through-Messung

Ähnlich ist High Voltage Ride-Through (HVRT) ein Maß für das Wechselrichterverhalten bei Netzüberspannungsereignissen. Die Messung identifiziert, ob die Wechselrichterantwort während dieser Störungen innerhalb definierter Spannungszeitgrenzen bleibt, gemäß den in den Spezifikationen definierten Grenzen.

Durchführen der Messungen

Die Messung wird über das Messfenster hinzugefügt, wie in Abbildung 31 gezeigt, und beinhaltet mehrere Parameter. Dies ist eine Einzelschussmessung, und die Parameter helfen, das Oszilloskop für das Spannungseinbruch- oder Überspannungsereignis zu konfigurieren. 

Die Angabe des Prüfstandards erzeugt die Pass/Fehler-Maske. Beachten Sie, dass eine benutzerdefinierte Maske auch erstellt werden kann.

Abbildung 33. Diese Standards werden bei Ride-Through-Messungen unterstützt. Es kann auch eine benutzerdefinierte Maske für Margenprüfungen definiert werden oder um proprietäre Standards zu unterstützen. 

Die Nenn-Effektivspannung kann automatisch vom Oszilloskop gemessen oder manuell eingegeben werden. Wenn die Nennspannungs-Methode in der Messkonfiguration auf Auto eingestellt ist, erfasst die Power Preset-Funktion acht Zyklen der kontinuierlichen Ausgangssignalform des Wechselrichters und verwendet diese, um die vertikalen und Trigger-Einstellungen automatisch anzupassen. Wenn die Nennspannungs-Methode auf Benutzerdefiniert eingestellt ist, erfasst das System das Signal nicht; stattdessen wendet es die vertikalen und Trigger-Einstellungen direkt basierend auf der vom Benutzer definierten relativen Nennspannung an.

Abbildung 34. Das Standardfeld für die Ride-Through-Messungen. Power Preset konfiguriert das Oszilloskop basierend auf den Konfigurationseinstellungen. Die vertikale Skala wird entsprechend der gemessenen Spannung (Auto) oder benutzerdefinierten Werten (Benutzerdefiniert) eingestellt. Der ausgewählte Standard bestimmt die horizontale Skala. Basierend auf der Messung (LVRT oder HVRT) wird der Trigger auf Runt oder Edge mit geeigneten Pegeln eingestellt. Ein Klick auf die Go-Taste stellt das Oszilloskop für eine Einzelschuss-Erfassung ein und wartet auf einen Trigger.

Nach der Konfiguration werden durch Tippen auf die Taste „Power Preset“ automatisch die passenden Skalierungs- und Trigger-Einstellungen ausgewählt, um die intermittierende Netzspannungsstörung zu erfassen. Durch Tippen auf „Go“ wird das Oszilloskop für eine Einzelfolge vorbereitet. 

MEASE RESULTSGER

Abbildung 35 zeigt ein Beispielergebnis für eine LVRT-Messung. Die Messung zeigt die Spannung und Zeit beim ersten Fehler, und alle Maskentreffer erscheinen in Weiß auf der Messkurve der Effektivspannung.

Abbildung 35. Ein Niederspannungs-Ride-Through-Fehler, bei dem eine Effektivwert-Spannungsverletzung vorliegt. Ride-Through-Ergebnisse werden deutlich gegenüber definierten Spannung-Zeit-Masken angezeigt, wodurch die Identifizierung von Konformitätsproblemen erleichtert wird. Die Testgrenzwerte sind Masken, die durch CEA, IEEE 1547-2003, IEEE 1547-2018 (CAT-I, CAT-II und CAT-III), EVS-EN 50549 CAT-I und benutzerdefinierte Standards definiert sind, die die Begrenzung für die Wiederherstellung der Effektivwert-Spannung des Wechselrichters definieren. Jede Maskenüberschreitung während der Ride-Through-Bedingungen führt zum Fehlschlag des Tests.

Berichterstellung

Datenerfassung, Archivierung und Dokumentation sind oft mühsame, aber notwendige Aufgaben im Design- und Entwicklungsprozess. 4/5/6-PWR enthält ein Berichtsgenerierungstool, das die Dokumentation der Messergebnisse praktisch mühelos macht.

Durch Verwendung der Oszilloskop-Funktion „Speichern unter“ wird ein fertiger Bericht mit dem angegebenen Layout erstellt und auf dem Oszilloskopbildschirm angezeigt.

Abbildung 36. Berichte sind in den Dateiformaten .MHT oder .PDF verfügbar.

Zusammenfassung

Durch die Verwendung erweiterter Leistungsanalyse- und Messoptionen an MSO-Oszilloskopen der Serien 4, 5 und 6 können Ingenieure genaue und wiederholbare Messungen schnell und mit sehr geringem Einrichtungsaufwand durchführen. Vor allem müssen sie keine manuellen Berechnungen durchführen! Die Oszilloskopanwendung erledigt die Arbeit, und durch die Verwendung von Bildschirmaufnahmen und Berichten können Ingenieure problemlos eine vollständige Dokumentation über die Einrichtung des Instruments, Signalformen und Messergebnisse bereitstellen.

Welche Tastköpfe sind für Ihre Anwendung geeignet?

MSO-Oszilloskope der Serien 4, 5 und 6 erzielen in Kombination mit den richtigen Leistungstastköpfen die beste Leistungsmessleistung. Die Oszilloskope sind mit der TekVPI-Tastkopfschnittstelle ausgestattet, die die Kommunikation zwischen Oszilloskop und Tastköpfen ermöglicht. Weitere Informationen finden Sie unter www.tek.com/ Zubehör für spezifische Informationen zu empfohlenen Modellen von Differential- und Stromtastköpfen, einschließlich isolierter IsoVu-Tastköpfe und Rogowski-Tastköpfe, sowie allen notwendigen Tastkopfadaptern.