Note d'application

Mesure et analyse de l'alimentation électrique avec l'application 4/5/6-PWR

De l'électronique portable aux systèmes industriels et énergétiques, les concepteurs doivent évaluer les performances en régime permanent et les comportements dynamiques tels que les pertes de commutation, la stabilité de la boucle de contrôle et la réponse transitoire. Les outils basés sur les Oscilloscopes permettent aux ingénieurs d'atteindre ces objectifs grâce à des techniques de mesure précises et répétables qui peuvent capturer les relations de tension, de courant et de puissance sur de multiples domaines de fonctionnement.

Cette note d'application décrit :

• Comment configurer pour des mesures de puissance précises, y compris la compensation des sondes, la correction de décalage des sondes et la démagnétisation des sondes de courant.
• Comment optimiser les dernières conceptions GaN et SiC et effectuer une analyse de commutation sur les transistors.
• Comment caractériser les inductances et les transformateurs pour déterminer la stabilité et l'efficacité de l'alimentation, et caractériser la réponse en fréquence d'une boucle de commande d'alimentation.
• Comment évaluer la sortie d'une alimentation DC et effectuer une analyse de la capacité d'interconnexion des onduleurs.
• Discute des sondes différentielles et de courant, y compris les sondes isolées IsoVu.

Les instruments utilisés dans cette note d'application sont les oscilloscopes à signaux mixtes Tektronix 4, 5 et 6 séries B, équipés du logiciel de mesure et d'analyse de puissance avancée (options 4-PWR, 5-PWR ou 6-PWR). Ces plates-formes, lorsqu'elles sont combinées avec des sondes de tension et de courant appropriées, offrent un environnement de mesure évolutif et cohérent pour une large gamme d'applications d'électronique de puissance.

Introduction

Aujourd’hui, les concepteurs d’alimentations sont confrontés à une pression croissante pour atteindre des rendements de conversion de puissance de 90 % et même plus élevés. Cette tendance est portée par la demande d’une plus longue autonomie des batteries dans l’électronique portable, l’Internet des objets et la demande de produits plus « verts » consommant moins d’énergie. De nombreuses conceptions remplacent les FET et les IGBT en silicium par des dispositifs de commutation GaN ou SiC. Comme toujours, la pression du délai de mise sur le marché continue d’imposer des tests plus rapides, tout en restant précis.

Les MSO des séries 4, 5 et 6, avec leurs entrées FlexChannel® et leurs interfaces utilisateur graphiques innovantes, permettent aux concepteurs de tester plusieurs points de test en une seule fois, ce qui accélère les tests. L'option de mesure et d'analyse avancée de la puissance (4-PWR, 5-PWR et 6-PWR) automatise le processus de configuration pour les mesures de puissance clés et fournit des outils pour évaluer les résultats des tests basés sur les normes et standards en matière de conception d'alimentation électrique.

Cette note d'application présente un aperçu de la manière d'effectuer des mesures importantes d'alimentation électrique à l'aide d'un Oscilloscope MSO Tektronix des séries 4, 5 ou 6 avec le logiciel d'analyse de puissance 4-PWR, 5-PWR ou 6-PWR.

Préparation pour les mesures d'alimentation.

Pour effectuer des mesures précises, le système de mesure de puissance doit être correctement configuré pour capturer précisément les signaux pour l'analyse et le dépannage. Les rubriques importantes à prendre en compte sont :

• Élimination de la distorsion entre les sondes de tension et de courant
• Élimination du décalage des sondes
• Dégauussage de votre sonde de courant

Élimination de l'asymétrie entre les sondes de tension et de courant

Pour effectuer des mesures de puissance avec un oscilloscope, il est nécessaire de mesurer la tension aux bornes et le courant à travers le dispositif sous test. Cette tâche nécessite deux sondes distinctes : une sonde de tension (souvent une sonde différentielle haute tension) et une sonde de courant. Chaque sonde de tension et de courant a son propre retard de propagation caractéristique et les fronts produits dans ces formes d'onde ne seront probablement pas alignés. La différence de retards entre la sonde de courant et la sonde de tension, connue sous le nom de dissymétrie, entraîne des mesures d'amplitude et de temps imprécises.

Étant donné que le décalage crée un retard, il peut entraîner des mesures imprécises des différences de temps, de la phase et du facteur de puissance. De nombreux systèmes de mesure peuvent « s'auto-étalonner » pour les retards internes à l'instrument, mais lorsque vous ajoutez des sondes à votre système, vous devez compenser les différences entre les amplificateurs de sondes et les longueurs de câble.

Les MSO des séries 4, 5 ou 6 vous permettent de compenser les retards de vos pointes de sonde par rapport au système de mesure afin de garantir les mesures de temps les plus précises. Vous pouvez compenser manuellement le décalage des sondes en connectant vos sondes à la même source de forme d'onde et en ajoutant un délai au chemin du signal le plus rapide. Cela permet d'aligner les signaux dans le temps sans avoir à ajouter physiquement de la longueur de câble au câble de sonde le plus court.

Figure 1. Compensation d'asymétrie statique entre une sonde de tension différentielle et une sonde de courant AVANT réglage. Ces sondes sont dotées d'une mémoire embarquée qui stocke leurs retards de propagation nominaux.

Les MSO Série 4, 5 et 6 offrent également une fonction d'alignement « statique » à bouton unique. La figure 1 montre un exemple de décalage entre deux sondes de puissance TekVPI®. L'oscilloscope lit les retards de propagation nominaux des sondes et calcule qu'il y a une différence d'environ 1,48 ns de retard entre les deux sondes. En appuyant simplement sur le bouton OK, Alignement, vous réglez la synchronisation relative entre les signaux.

**La figure 2** montre la même configuration de test que celle utilisée dans la **figure 1** après l'exécution de la fonction de désymétrisation statique. Si des sondes non-Tektronix sont utilisées, vous devrez désymétriser manuellement les formes d'onde de tension et de courant, et configurer les réglages de la sonde de courant.

**La figure 2** montre la même configuration de test utilisée dans la figure 1 après l'exécution de la fonction de correction de désalignement statique. Si des sondes non-Tektronix sont utilisées, vous devrez corriger manuellement le désalignement des formes d'onde de tension et de courant, et configurer les paramètres de la sonde de courant.

Éliminer les décalages de sonde

Les sondes différentielles peuvent avoir un léger décalage de tension. Ce décalage peut affecter la précision et doit être supprimé avant de procéder aux mesures. La plupart des sondes de tension différentielles disposent de commandes de réglage de décalage DC intégrées, ce qui fait que la suppression du décalage est une procédure relativement simple.

De même, il peut être nécessaire de régler le décalage des sondes de courant avant d'effectuer des mesures. Les réglages du décalage des sondes de courant s'effectuent en annulant le courant DC à une valeur moyenne de 0 ampère ou aussi proche que possible. Les sondes TekVPI, telles que la sonde de courant AC/DC TCP0030A, sont dotées d'une procédure automatique de dégaussage/mise à zéro intégrée, aussi simple que d'appuyer sur un bouton de la boîte de compensation de la sonde, comme illustré à la **Figure 3**.

Figure 3. Sonde de courant AC/DC Tektronix TCP0030A avec dégaussage/mise à zéro automatique.

Dégagnétisation de votre sonde de courant

La démagnétisation élimine tout flux DC résiduel dans le noyau du transformateur, qui peut être causé par une quantité importante de courant d'entrée. Ce flux résiduel entraîne une erreur de décalage qui doit être éliminée afin d'augmenter la précision des mesures effectuées.

Les sondes de courant Tektronix TekVPI offrent un indicateur d'avertissement de dégaussage qui alerte l'utilisateur à effectuer une opération de dégaussage. Un indicateur d’avertissement de démagnétisation est important, car les sondes de courant peuvent présenter une dérive significative au fil du temps, ce qui peut affecter considérablement les mesures.

Relever les défis des tests à large bande interdite

Jusqu'à récemment, les mesures de commutation sur le côté alimentation des étages de commutation en demi-pont étaient presque impossibles. Toute mesure relative au nœud de commutation, y compris la VDS côté alimentation et les tensions aux bornes des shunts de courant, subissait une distorsion due au signal de tension en mode commun significatif agissant sur le signal différentiel. Ce problème est aggravé par les composants à large bande interdite, tels que les transistors GaN et SiC, car les fréquences de commutation augmentent et la nécessité d'optimiser les toutes nouvelles conceptions devient impérative. Le rejet du mode commun inégalé des sondes IsoVu et l'automatisation des mesures et de l'analyse de puissance avancées forment une combinaison imbattable pour optimiser les toutes dernières conceptions GaN et SiC.

Figure 4. De nombreuses topologies d'alimentation nécessitent des mesures de petites tensions différentielles en présence de signaux de mode commun élevés. Par exemple, les VGS côté alimentation d'un étage de commutation en demi-pont se déplacent souvent de centaines de volts par rapport à la masse. Les systèmes de mesure isolés IsoVu™ offrent un rejet de mode commun extrêmement élevé.

ANALYSE D'ENTREE

Les mesures de ligne caractérisent la réaction de la conception aux changements des entrées, sa consommation de courant et de puissance, et sa distorsion du courant de ligne. Certaines mesures, telles que la consommation d'énergie, sont des spécifications critiques. D'autres, tels que le facteur de puissance et les harmoniques, peuvent être limitées par la réglementation.

Mesures qualitatives de la puissance

Dans 4-PWR, 5-PWR et 6-PWR, les mesures de qualité de l'énergie sont un ensemble de mesures d'alimentation standard. Ils sont souvent effectués sur les entrées de ligne AC, mais peuvent également être appliqués aux sorties AC de dispositifs tels que les onduleurs. Ces mesures incluent :

• Fréquence
• Tension et courant efficaces
• Facteur de crête (tension et courant)
• Puissance réelle, réactive et apparente
• Facteur de puissance et phase

Effectuer la mesure

Les mesures de qualité de l'alimentation sont faciles à réaliser en utilisant une sonde différentielle pour mesurer la tension de ligne du système et une sonde de courant pour mesurer le courant de ligne du système. Cette même configuration peut également être utilisée pour mesurer les harmoniques de courant.

Figure 5. Les mesures de qualité de l'alimentation brossent un tableau complet de la ligne AC. La tension de ligne est le signal supérieur. Le courant est le signal rouge. La puissance instantanée est le signal orange. La vignette de résultats (en haut à droite) affiche un résumé des caractéristiques de la ligne, et le tableau de résultats dans la section supérieure peut être activé pour des données et des statistiques plus détaillées.

Résultats des mesures

• Fréquence : la fréquence en hertz du signal de tension
• V_RMS: La valeur efficace du signal de tension affiché
• I_RMS: La valeur efficace réelle de la forme d'onde de courant affichée.
• Facteur de crête V : l'amplitude de crête de la tension divisée par la valeur efficace de la tension.
• Facteur de crête I : l'amplitude crête du courant divisée par la valeur efficace du courant
• Puissance réelle : la puissance réelle du système mesurée en watts (W)
• Puissance réactive : puissance imaginaire temporairement stockée dans des éléments inductifs ou capacitifs, mesurée en Volts-Ampères Réactifs (VAR).
• Puissance apparente : la valeur absolue de la puissance complexe mesurée en volts-ampères (VA)
• Facteur de puissance : rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente
• Phase  : L'angle entre les vecteurs de puissance réelle et apparente, en degrés

HARMONIQUES

Des harmoniques de courant apparaissent lorsque des appareils non linéaires distordent le flux de courant dans le circuit. Les circuits linéaires tirent du courant uniquement à la fréquence fondamentale de la ligne, mais les circuits non linéaires tirent du courant à des multiples de la fréquence fondamentale, avec une amplitude et une phase différentes pour chaque harmonique.

Lorsque des courants harmoniques traversent l'impédance du système de distribution électrique, une distorsion de tension peut en résulter. La chaleur peut s'accumuler dans le câblage et les transformateurs. Et à mesure que le nombre d'alimentations à découpage connectées au réseau augmente, la distorsion harmonique sur le réseau augmente également.

Ainsi, des normes ont été conçues pour limiter l'impact sur la qualité de l'alimentation causé par les charges non linéaires. Des normes telles que CEI61000-3-2, MIL-STD-1399 et DO-160G ont été développées pour limiter les harmoniques.

La norme IEC61000-3-2 limite les harmoniques de courant injectées dans le réseau public d’alimentation électrique. Elle s’applique à tous les équipements électriques et électroniques ayant un courant d’entrée jusqu’à 16 A par phase, qui seront connectés aux réseaux publics de distribution basse tension (230 V AC ou 415 V AC triphasé). La norme est ensuite divisée en Classe A (équipement triphasé équilibré), Classe B (outils portables), Classe C (équipement d’éclairage et dispositifs de gradation) et Classe D (équipement avec des exigences de forme d’onde de courant uniques).

La norme MIL-STD-1399 définit les spécifications et les exigences de test pour les équipements (charges) afin de maintenir la compatibilité avec les systèmes d'alimentation AC à bord des navires, des ordinateurs et équipements de communication aux climatiseurs. Les normes DO-160G sont destinées aux systèmes aéroportés.

Figure 6. La configuration d'une analyse harmonique de courant de base ne nécessite que quelques réglages. Cet exemple présente les réglages pour une vérification de pré-conformité par rapport aux normes industrielles.

Les applications d'analyse de puissance facilitent la mesure des harmoniques de courant. Il peut afficher les résultats de mesure à la fois sous forme de tableau et de graphique. Il permet également aux concepteurs de comparer rapidement les performances de leurs appareils aux normes de conformité avant la certification, un processus souvent long et coûteux. Le fait de disposer de ces capacités de mesure dans l'oscilloscope, non seulement accélère le débogage, mais peut également aider à éviter les modifications de conception de dernière minute pour répondre aux exigences réglementaires.

Figure 7. Résultats des harmoniques. La forme d'onde de courant non sinusoïdale peut être vue en bas à droite. Le graphique à barres des harmoniques affiche le contenu harmonique sur une échelle en décibels. Les harmoniques impaires sont les plus importantes, mais bien dans les limites de la norme IEC 61000-3-2.

Effectuer la mesure

Utilisez une sonde de tension différentielle pour mesurer la tension de ligne. Utilisez une sonde de courant pour mesurer le courant de ligne.

Si vous souhaitez comparer les harmoniques de votre conception aux limites de la norme IEC 61000-3-2, la fréquence de ligne doit être définie et le type de classe doit être sélectionné. Dans le cas des normes de Classe C ou D, la puissance d'entrée, le facteur de puissance et le courant fondamental devront également être saisis. Le progiciel d'analyse chargera une table de limites prédéfinie et effectuera des comparaisons entre les harmoniques mesurées et les limites. Les résultats de pré-conformité seront présentés comme indiqué à la Figure 8.

Figure 8. Jusqu’à 100 harmoniques peuvent être affichées sous forme graphique. Le tableau présente les résultats des tests de préconformité IEC 61000-3-2. En fonction de vos réglages, le progiciel d'analyse chargera un tableau de limites prédéfini et établira des comparaisons entre chaque harmonique mesurée et les limites.

Résultats des mesures

• Le badge Résultats affiche la norme d'harmoniques sélectionnée, l'harmonique fondamentale et l'amplitude de la 3e harmonique, les valeurs THD-F, THD-R, efficaces et l'état de réussite/échec.
• Les harmoniques individuelles peuvent être sélectionnées et les valeurs de mesure sont liées entre la vignette des résultats, le graphique à barres et le tableau des résultats.
• Le tableau de résultats des harmoniques comprend :
• Les harmoniques de courant peuvent être affichés en unités de décibels microampères (dBµA) ou d'ampères (A).

Figure 9. Mesure automatisée du courant d'appel et mesure de la capacité réalisées sur le courant de la voie 7.

COURANT D'APPEL ET CAPACITÉ D'ENTRÉE

En général, le courant d'appel se produit lorsqu'une alimentation est mise sous tension pour la première fois. Le convertisseur de puissance tire un courant relativement haut à mesure que sa capacité d'entrée se charge. Après le courant d'appel initial, le courant se stabilise, à moins que d'autres changements de système ne se produisent. Les mesures de courant d'appel peuvent fournir des informations importantes sur la conception d'une alimentation, y compris le dimensionnement des dispositifs de protection. Dans les cas extrêmes, le courant d'appel peut provoquer des baisses de tension sur la ligne AC.

Le logiciel d'analyse de puissance fournit une mesure automatisée du courant d'appel. Il identifie les zones de courant d'appel et les annote sur l'affichage. Il calcule ensuite le courant d'appel dans cette zone.

Le courant d'appel et la capacité d'entrée sont directement liés, et tous deux fournissent des informations importantes sur les caractéristiques de démarrage d'un convertisseur de puissance.

Figure 10. Le courant d'appel se produit lors de la mise sous tension d'une alimentation. La forme d'onde du courant présente des crêtes diminuant progressivement avant d'atteindre l'état stable.

Figure 11. Mesures de pertes de commutation. La trace supérieure (orange) est calculée en multipliant le courant et la tension pour la puissance instantanée. Les mesures de pertes sont effectuées sur le signal de puissance instantanée. Chaque zone de perte est annotée avec des marqueurs colorés qui correspondent aux étiquettes de mesure. Les signaux inférieurs sont la tension aux bornes de l'interrupteur et le courant traversant l'interrupteur.

Analyse de commutation

Les mesures dans les étages de commutation de l'alimentation confirment le bon fonctionnement du convertisseur, quantifient les sources de pertes et confirment que les dispositifs fonctionnent dans des plages normales.

Mesures de perte de commutation

Les pertes à la mise sous tension se produisent lorsque divers condensateurs physiques et parasites sont chargés, que les inducteurs génèrent des champs magnétiques et que des pertes résistives transitoires connexes se produisent. De même, lorsque l'alimentation de commutation est coupée, il y a encore de l'énergie disponible pour se décharger et interagir avec divers composants même si l'alimentation principale a été coupée, et des pertes se produisent donc également ici.

Effectuer la mesure

Pour effectuer une mesure de perte par commutation, l'oscilloscope doit mesurer la tension aux bornes du dispositif de commutation et le courant traversant le dispositif. Les résultats de la perte de commutation sont présentés comme illustré à la figure 11.

Résultats des mesures

• Ton : la moyenne des valeurs de perte de puissance et d'énergie de mise en marche pour chaque cycle.
• Toff : La moyenne des valeurs de perte de puissance et d'énergie en phase d’activation pour chaque cycle
• Total : La moyenne des valeurs de perte de puissance moyenne totale et d'énergie moyenne pour chaque cycle
• Les boutons fléchés gauche et droit vous permettent de naviguer à travers les cycles de commutation et de cibler les zones problématiques.
• Les mesures peuvent également être affichées dans un tableau de résultats. Le tableau affiche les résultats de mesure cumulés pour tous les cycles de commutation pour un examen rapide.

Figure 12. Mesure du RDS(on). Le signal Ch1 (jaune) est la tension VDS du FET et le signal Ch2 (cyan) est le courant du FET. Les signaux sont inversés en phase afin d'indiquer correctement que le courant est élevé dans la région de conduction. Le calcul trace la valeur RDSon et la vignette des résultats indique la valeur RDSon minimale calculée d'après le signal Math. Dans ce cas, elle est de 1,13 mOhms. 

RDS (activé)

Cette mesure caractérise la résistance drain-source du dispositif de commutation pendant la phase de conduction du cycle de commutation, lorsque l'appareil est à l'état passant et qu'il conduit le courant. La résistance dynamique à l'état passant est le rapport entre la tension aux bornes de l'appareil lorsqu'il est à l'état passant et le courant qui le traverse. Grâce à la fonction de fenêtrage par curseur, vous pouvez mesurer avec précision la RDS(on), un facteur contribuant de manière importante aux pertes dans le dispositif de commutation.

 

 

Figure 13. Graphique de la zone de fonctionnement sûr (SOA) d'un transistor.

Zone de fonctionnement sûr

La zone de fonctionnement sûr (SOA) d'un transistor de commutation définit le courant qui peut traverser le transistor en toute sécurité à une tension donnée. La SOA est généralement définie dans la fiche technique des transistors de commutation BJT, MOSFET ou IGBT. Il est représenté sous la forme d'un graphique de V_CE (ou V_DS pour un FET) en fonction de I_CE (ou I_DS), et décrit les plages de fonctionnement du transistor sans dégradation ni dommage.

Le logiciel d'analyse de puissance vous permet de transférer la SOA de la fiche technique de l'appareil dans l'oscilloscope MSO Série 4, 5 ou 6. Vous pouvez ensuite mesurer la tension et le courant sur le dispositif réel, en circuit, tout en faisant varier les conditions de fonctionnement de la conception de votre alimentation. L'oscilloscope enregistre les courbes V-I et peut indiquer si des paramètres dépassent la SOA.

Effectuer la mesure

L'un des principaux défis pour déterminer le SOA d'un transistor fonctionnant dans une alimentation électrique est de saisir avec précision les données de tension et de courant dans une variété de scénarios de charge, de changements de température et de variations des tensions d'entrée de ligne. Le progiciel d'analyse simplifie cette tâche en automatisant l'acquisition et l'analyse des données. La configuration de mesure nécessite de sonder la tension aux bornes et le courant à travers le transistor de commutation.

L'étape suivante consiste à configurer le masque SOA. Comme indiqué sur le graphique 15, l'éditeur de masque SOA vous permet de saisir les limites SOA du transistor, telles que définies dans sa fiche technique ou par vos propres normes.

Figure 14. SOA utilisant 5-PWR. Si les points de données se trouvent à l'intérieur de la zone de masque, ils sont jaunes pour indiquer la « réussite » et s'ils se trouvent en dehors de la zone de masque, ils sont rouges pour indiquer l'« échec ». Dans cet exemple, la courbe V-I est sortie de la zone de sécurité (SOA), soumettant le dispositif de commutation à des contraintes excessives.

Résultats des mesures

Après avoir terminé la configuration, les résultats du test SOA sont présentés comme indiqué sur la Figure 14. Les signaux de tension et de courant sont tracés dans un enregistrement unique en mode XY. Le tracé montre toutes les données pour un seul cycle d'acquisition.

Figure 15. Fenêtre de l'éditeur de masque SOA. Le masque est défini par un ensemble de coordonnées (tension, courant) tirées de la fiche technique du dispositif de commutation, ou peut être défini par l'utilisateur.

La vignette des résultats indique le nombre de fois où l'appareil est sorti du masque SOA et donne un verdict de réussite/échec.

Analyse magnétique

Les inductances et les transformateurs sont utilisés comme dispositifs de stockage d'énergie dans les alimentations à découpage et linéaires. Certaines alimentations utilisent également des inductances dans les filtres à leur sortie. Compte tenu de leur rôle important dans les convertisseurs de puissance, il est essentiel de caractériser ces composants magnétiques pour déterminer la stabilité et l'efficacité globale de l'alimentation.

L'analyse magnétique dans 4/5/6-PWR automatise les groupes de mesures suivants : inductance, pertes magnétiques et paramètres B-H.

Inductance

Les inductances présentent une impédance croissante avec la fréquence, entravant les fréquences plus hautes davantage que les fréquences plus basses. Ce comportement est appelé inductance et est mesuré en henrys. L'inductance des appareils peut être mesurée automatiquement avec un Oscilloscope équipé d'un logiciel d'analyse de puissance.

Effectuer la mesure

Les applications 4/5/6-PWR intègrent la tension au fil du temps et la divisent par la variation de courant pour calculer la valeur d'inductance. Les mesures sont effectuées en sondant la tension aux bornes et le courant à travers le composant magnétique. Les résultats de mesure de l'inductance sont présentés avec plusieurs autres mesures sur la Figure 15. Le signal jaune (Voie 1) est la tension aux bornes de l'inducteur et le signal cyan (Voie 2) est le courant à travers l'inducteur. Notez que la courbe B-H est également affichée.

Résultats des mesures

Inductance : la valeur d'inductance de l'appareil ou du circuit.

Perte magnétique

Une analyse des pertes de puissance magnétiques est une partie essentielle d'une analyse complète des pertes d'une alimentation à découpage. Les deux principales pertes magnétiques sont les pertes dans le noyau et les pertes dans le cuivre. La résistance du fil d'enroulement en cuivre contribue aux pertes dans le cuivre d'une alimentation. Les pertes dans le noyau sont fonction des pertes par courants de Foucault et des pertes par hystérésis dans le noyau magnétique. Les pertes dans le noyau sont indépendantes du flux DC, mais sont influencées par l'excursion de flux AC et la fréquence de fonctionnement.

Effectuer la mesure

Les 4/5/6-PWR sont capables de calculer la perte magnétique dans une inductance à un seul enroulement, une inductance à enroulements multiples ou même un transformateur.

Dans le cas d'un transformateur à enroulement unique, une sonde différentielle est connectée pour mesurer la tension aux bornes de l'enroulement primaire. Une sonde de courant mesure le courant à travers le transformateur. L'oscilloscope et le logiciel de mesure de puissance peuvent alors calculer automatiquement les pertes de puissance magnétiques.

Les résultats de perte de puissance magnétique sont présentés comme indiqué à la Figure 16.

Résultats des mesures

Perte de puissance : La perte de puissance totale due au composant magnétique

Propriétés magnétiques (courbe B-H)

La densité de flux magnétique B, mesurée en Teslas, est l'intensité du champ magnétique. Elle détermine la force exercée sur une charge en mouvement par le champ magnétique. L'intensité du champ magnétique ou la force du champ H, mesurée en A/m, est appelée force d'aimantation. La perméabilité magnétique d'un matériau, µ, est mesurée en H/m. Il mesure le degré d'aimantation du matériau dû au champ magnétique appliqué.

Des caractéristiques physiques telles que la longueur magnétique et le nombre d’enroulements autour du noyau aident à déterminer les valeurs B et H du matériau magnétique. Les tracés de courbe B-H sont souvent utilisés pour vérifier la saturation (ou son absence) des éléments magnétiques dans une alimentation à découpage et fournissent une mesure de l’énergie perdue par cycle dans un volume unitaire de matériau de noyau. La courbe trace la densité de flux magnétique, B, en fonction de l’intensité du champ, H. Étant donné que B et H dépendent des caractéristiques physiques du composant magnétique, telles que la longueur magnétique et le nombre d’enroulements autour du noyau, ces courbes définissent l’enveloppe de performance du matériau du noyau du composant.

Figure 16. Mesures magnétiques sur un inducteur. La forme d'onde Ch1 (jaune) est la tension aux bornes de l'inducteur et la forme d'onde Ch2 (cyan) est le courant de l'inducteur. La courbe B-H est affichée au centre de l'écran. L'inductance, la perte magnétique et les propriétés magnétiques sont affichées dans les vignettes de résultats sur la droite.

Effectuer la mesure

Afin de générer une courbe B-H, la tension aux bornes de l'élément magnétique et le courant le traversant sont mesurés. Dans le cas d'un transformateur, les courants traversant les enroulements primaires et secondaires présentent un intérêt. Le nombre de spires de l'inducteur (N), la longueur magnétique (l) et la section transversale du noyau (Ae) doivent d'abord être entrés dans le panneau de configuration, avant que le logiciel d'analyse de puissance ne puisse calculer une courbe B-H.

Une sonde différentielle haute tension est connectée à la voie 1 de l'oscilloscope et aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur. Cette tension mesurée est le résultat de l'induction magnétique B du composant magnétique. La voie 2 mesure le courant à travers le primaire avec une sonde de courant. Des sondes de courant sont également utilisées pour mesurer le courant à travers les enroulements secondaires sur la voie 3 et la voie 4, si nécessaire. Le logiciel d'analyse de puissance peut ensuite calculer le courant magnétisant en utilisant les données des voies 2, 3 et 4 de l'oscilloscope. La valeur du courant magnétisant est ensuite utilisée pour déterminer la composante H.

Les résultats de la propriété magnétique sont présentés comme le montre la Figure 16.

Résultats des mesures

• ΔB : la variation de la densité de flux
• ΔH : la variation de l'intensité du champ
• Perméabilité : le degré d'aimantation du matériau.
• Bpeak  : La densité de flux magnétique maximale induite dans un composant magnétique
• Br : le point de la courbe où H = 0 mais où B a toujours une valeur positive. C'est ce qu'on appelle la rémanence du composant, une mesure de sa rétentivité. Plus la rémanence est élevée, plus le matériau retiendra de magnétisation.
• Hc  : le point sur la courbe où B = 0 et H est une valeur négative. Cela représente le champ externe requis pour que B atteigne zéro. Cette valeur de H est connue sous le nom de force coercitive. Une faible valeur de force coercitive signifie que le composant peut être facilement démagnétisé.
• Hmax : La valeur maximale de H à l’intersection de l’axe H et de la boucle d’hystérésis
• I-ripple : La valeur crête à crête du courant.

Figure 17. Un transformateur d'isolement/d'injection est utilisé pour isoler la source du signal de terre de la résistance d'injection flottante.

Analyse de la réponse de fréquence

Réponse de la boucle de commande

L'analyse de la Réponse de la boucle de commande (souvent appelée diagrammes de Bode, d'après les courbes résultantes) aide à caractériser la réponse en fréquence d'une boucle de commande d'alimentation. Le diagramme de Bode représente le gain et le déphasage de la boucle de rétroaction calculés sur une plage de fréquences, fournissant des informations précieuses sur la vitesse de la boucle de commande et la stabilité de l'alimentation. Elle peut être mesurée avec un analyseur de réseau vectoriel (VNA), mais peut également être mesurée avec un oscilloscope et un générateur de fonctions.

Pour mesurer la réponse d'un système d'alimentation, un signal connu doit être injecté dans la boucle de rétroaction. Pour cette mesure, l'option Générateur de fonctions arbitraires (AFG) des séries 4/5/6 est utilisée pour générer des ondes sinusoïdales sur une plage de fréquences spécifiée. Le convertisseur DC/DC ou le LDO doit être configuré avec une petite résistance d'injection/de terminaison (5 à 10 Ω) dans sa boucle de rétroaction afin qu'un signal de perturbation du générateur de fonctions puisse être injecté dans la boucle.

Un transformateur d'injection avec une réponse plate sur une large bande est connecté à la résistance d'injection et isole la source du signal de terre de l'alimentation. La plage de fréquences du transformateur d'injection Picotest J2101A, de 10 Hz à 45 MHz, s'aligne bien avec l'option de générateur de fonctions pour les MSO des séries 4/5/6. Les sondes passives à faible capacité et faible atténuation, telles que la TPP0502, sont recommandées pour les mesures de tension. Ceci permet des mesures avec une sensibilité verticale de 500 µV/div sur le MSO Série 6 et de 1 mV/div sur les MSO Séries 4/5.

Figure 18. La fréquence de début et de fin, l'amplitude et les points par décade déterminent le stimulus que le générateur injectera dans la boucle de commande.

Figure 19. Un profil d'amplitude peut être utilisé pour améliorer le rapport signal/bruit (SNR) des mesures. Il permet l'application d'amplitudes plus faibles aux fréquences où le DUT est sensible aux perturbations et d'amplitudes plus élevées aux fréquences où il est moins sensible.

Après avoir établi les connexions, le balayage de stimulus doit être configuré. Le logiciel 4/5/6-PWR prend en charge les méthodes d'amplitude constante et d'amplitude de profil. Le balayage à amplitude constante maintient la même amplitude à toutes les fréquences. La méthode de profil vous permet de spécifier différentes amplitudes pour les bandes de fréquences que vous définissez. La méthode de profil d'amplitude peut être utilisée pour améliorer le rapport signal/bruit (SNR) des mesures.

Figure 20. Le logiciel calcule le gain (trace verte) en tant que 20log (Vout/Vin). La trace rouge représente le déphasage entre le signal injecté et la sortie par rapport à -180°. La marge de phase (PM) est mesurée là où la courbe de gain croise le zéro dB. La marge de gain (GM) est mesurée lorsque la courbe de phase croise le point zéro degré. Le tableau affiche le gain et la phase à chaque fréquence.

La marge de phase est mesurée à la fréquence de coupure du gain, qui se produit à la fréquence où le tracé du gain coupe 0 dB. Le point correspondant sur le tracé de phase donne la marge de phase.

La marge de gain est mesurée à la fréquence de coupure de phase, qui se produit lorsque la phase traverse -180°. Puisque la phase est tracée par rapport à -180, cela apparaît comme un passage par 0. La valeur de gain correspondante à cette fréquence de coupure de phase donne la marge de gain.

Figure 21. Le graphique PSRR montre l'atténuation du courant AC appliqué à l'entrée de l'alimentation sur la sortie de l'alimentation.

Rapport de réjection d'alimentation (PSRR)

Le taux de réjection de l'alimentation caractérise la capacité d'une alimentation à empêcher le bruit AC sur ses entrées d'apparaître sur sa sortie DC. Pour effectuer un test PSRR, un stimulus sinusoïdal balayé est appliqué à l'entrée de l'alimentation. Un dispositif de sommation de réseau DC + AC, tel que l'injecteur de ligne J2120A de Picotest, est requis pour cette mesure.

Figure 22. Un injecteur de ligne est utilisé pour ajouter un stimulus AC du générateur de fonctions à l'entrée DC de l'alimentation.

Le logiciel 5/6-PWR automatise le balayage et effectue des mesures des signaux d'entrée et de sortie à chaque fréquence. Il calcule le rapport d'atténuation sous forme 20Log(Vin/Vout) à chaque fréquence dans la bande de fréquences et trace les mesures sur l'affichage.

Figure 23. Configuration de la mesure d'impédance. Les sondes pour rails d'alimentation offrent une sensibilité haute et une impédance haute en DC, ainsi qu'une impédance d'entrée AC de 50 Ω pour une basse charge. Alternativement, une sonde P6150 peut être utilisée si disponible, ou un câble SMA avec blocage DC.

Mesures d'impédance

La caractérisation de l'impédance d'un réseau de distribution d'alimentation permet de déterminer l'impact du bruit au sein du système. La courbe d'impédance représente les valeurs d'impédance sur une bande de fréquences spécifique. Le DUT peut être l'impédance combinée du PDN, y compris les pistes de la carte et les condensateurs, ou un composant ou un sous-système tel qu'un module régulateur de tension (VRM).

Les mesures d'impédance sont souvent effectuées à l'aide de VNAs, cependant le VNA typique ne peut pas mesurer à de basses fréquences ou mesurer de faibles valeurs d'impédance < 10 mΩ. Le système basé sur un oscilloscope peut mesurer jusqu'à une fréquence aussi basse que 1 Hz. La solution basée sur un oscilloscope fournit également un affichage des signaux d'entrée et de sortie de l'équipement testé (DUT) pendant le balayage, de sorte que les modifications du domaine temporel puissent être observées.

L'oscilloscope a également l'avantage d'afficher les formes d'onde dans le domaine temporel, y compris le signal de stimulus et la réponse, pendant l'exécution de l'analyse. Ce n'est pas possible avec un VNA.

Pour effectuer la mesure, l'oscilloscope mis à la terre doit être isolé du DUT. Un transformateur d'amplificateur différentiel Picotest J2113A sert cet objectif dans le système exemple présenté à la Figure 23. Un répartiteur de puissance 50 Ω est utilisé pour envoyer le signal du générateur de fonctions au DUT et à la voie 1 de l'oscilloscope.

Graphique 24. Un tracé de mesure de l'impédance en fonction de la fréquence. La courbe présente trois pics indiquant des changements dans les valeurs d'impédance à mesure que la fréquence varie. L'objectif est un tracé d'impédance plat, avec tous les pics inférieurs à l'impédance cible. Les curseurs peuvent être utilisés pour mesurer n'importe quel point de la courbe.

ANALYSE DE SORTIE

La sortie de toute alimentation DC doit être évaluée pour la régulation et le bruit. Le logiciel d'analyse et de mesure de puissance avancée 4/5/6-PWR comprend des outils pour quantifier et classifier l'ondulation.

Line Ripple et Switching Ripple

En termes simples, l'ondulation est la tension AC qui est superposée à la sortie DC d'une alimentation. Elle est exprimée en pourcentage de la tension de sortie normale ou en tension crête-à-crête.

Il existe deux types d'ondulation qui apparaissent à la sortie d'une alimentation. L'ondulation de ligne mesure la quantité d'ondulation liée à la fréquence de ligne. L'ondulation de commutation mesure la quantité d'ondulation détectée à la sortie de l'alimentation de commutation en fonction de la fréquence de commutation que vous identifiez.

L'ondulation de ligne de sortie est généralement le double de la fréquence de ligne ; l'ondulation de commutation est généralement couplée au bruit et se situe dans la plage de fréquences en kHz. Séparer l'ondulation de ligne de l'ondulation de commutation est l'un des plus grands défis de la caractérisation des alimentations. Le logiciel d'analyse de puissance simplifie considérablement cette tâche.

Effectuer la mesure

Pour mesurer l'ondulation du système, seule une sonde de tension est nécessaire. La sonde différentielle doit être connectée à la sortie du système pour mesurer les tensions d'ondulation de ligne et de commutation de sortie.

Figure 25. Onglet de configuration Line Ripple pour 5-PWR.

Les onglets de configuration (voir Figure 25) pour l'ondulation de ligne et de commutation sont très similaires. Les deux mesures d'ondulation nécessitent la sélection du mode de couplage d'entrée (AC ou DC), de la limite de bande passante requise (20 MHz, 150/250 MHz ou complète) et du mode d'acquisition de l'oscilloscope – Échantillon, Détection de crête ou Haute résolution (Haute rés.). Dans le cas d'une mesure d'ondulation de ligne, la fréquence de ligne du système, 50 Hz ou 60 Hz ou 400 Hz, doit être définie. Les mesures d'ondulation de commutation nécessitent la spécification de la fréquence de commutation.

Une fois la mesure configurée, les résultats sont présentés comme indiqué sur la Figure 26.

Figure 26. Résultats de l'ondulation de commutation.

Résultats des mesures

Valeurs d'ondulation crête à crête et efficaces : Ce sont les tensions crête à crête et efficaces de l'ondulation de ligne ou de commutation du système.

Figure 27. Mesure de l'efficacité dans laquelle une seule tension et un seul courant AC sont utilisés pour déterminer la puissance d'entrée, et la puissance est mesurée simultanément sur trois sorties pour trouver l'efficacité totale.

Efficacité

L'efficacité élevée des appareils ou des produits est un facteur de différenciation crucial dans l'environnement concurrentiel actuel. Le logiciel de mesures et d'analyse de puissance avancées vous permet de mesurer facilement l'efficacité de vos produits de conversion de puissance (AC-DC, AC-AC, DC-DC, DC-AC). Pour les produits d'alimentation avec jusqu'à 3 sorties, le logiciel de mesures et d'analyse de puissance avancées permet aux concepteurs de tester l'efficacité de l'ensemble du système en une seule fois, pour des temps de test et de validation plus rapides.

La figure 27 présente les résultats d'une mesure d'efficacité sur un convertisseur AC-AC avec 1 entrée et 3 sorties, à l'aide d'une carte de démonstration et de signaux mathématiques pour simuler un appareil à sorties multiples. Chaque tension et courant d'entrée et de sortie sont mesurés (ou simulés, dans ce cas) :

• Voie 3 : Tension d'entrée
• Voie 4 : Courant d'entrée
• Ch. 7 : Tension de sortie 1
• Voie 8 : Courant de sortie 1
• Math 3 : tension de sortie 2
• Math 4 : courant de sortie 2
• Math 6 : Tension de sortie 3
• Math 7 : courant de sortie 3

Notez l'utilisation d'étiquettes personnalisées dans l'exemple ci-dessus, ce qui facilite leur identification. Le logiciel d'application crée automatiquement les signaux de puissance mathématiques au besoin. Dans l'exemple ci-dessus, ces signaux ont été créés automatiquement :

• Math 1 : entrée 1 puissance
• Math 2 : Puissance de sortie 1.
• Math 5 : Puissance de sortie 2
• Math 8 : Puissance de sortie 3

Graphique 28. La configuration de la mesure de rendement permet à l'utilisateur de configurer le type de signal et jusqu'à 3 sorties.

L'application calcule les efficacités individuelles et l'efficacité totale de l'appareil testé et les affiche dans le badge de résultats. On peut également ouvrir le tableau des résultats et enregistrer le rapport au format .MHT ou PDF.

Figure 29. Les mesures de temps d'activation trouvent le délai entre l'application de la puissance d'entrée et une sortie stable.

Heure d’activation

Le temps de mise sous tension est le temps nécessaire pour atteindre la tension de sortie de l'alimentation électrique après l'application de la tension d'entrée. Une voie est utilisée pour mesurer l'entrée et l'une des voies restantes de l'oscilloscope peut être utilisée pour mesurer les sorties. Cela permet de mesurer plusieurs rails d'alimentation en une seule acquisition.

Figure 30. Les mesures du temps de désactivation trouvent le délai entre la coupure de l'alimentation d'entrée et une sortie quasi nulle.

Heure de désactivation

Le temps de désactivation est le temps nécessaire pour que la tension de sortie de l'alimentation électrique s'approche de zéro après la suppression de la tension d'entrée.

La technique de mesure du temps d'activation AC vers DC et DC/DC peut être étendue à la vérification des séquences de mise sous tension et hors tension des alimentations à sorties multiples.

Le séquençage et la temporisation des sorties d'alimentation lors des mises sous et hors tension sont essentiels au bon fonctionnement des produits finaux et permettent aux appareils de fonctionner sans interruption. Les concepteurs seront intéressés par le réglage de leurs appareils finaux, par exemple lorsqu'un onduleur revient à un état stable dans le délai imparti. Par exemple, la batterie se charge pour générer une sortie DC en continu, et le système d'onduleur alimente en continu le réseau AC. En cas de coupure de courant, la batterie alimente l'onduleur. Le temps de désactivation est important pour que la batterie devienne active dans le délai imparti.

Analyse du maintien en régime des onduleurs 

Les systèmes d'onduleurs connectés au réseau doivent inclure des fonctions anti-îlotage pour éviter tout îlotage non intentionnel lors de variations de puissance sur le réseau. Pour répondre à ces exigences, les performances de l'onduleur doivent être vérifiées par rapport aux normes internationales telles que CEA, IEEE 1547 et EVS-EN 50549. Ces normes incluent un temps de maintien qui spécifie la durée pendant laquelle un onduleur connecté au réseau, ou « onduleur intelligent », doit continuer à soutenir le réseau en cas de creux de tension ou de surtension.

Le logiciel d'analyse de puissance pour oscilloscopes séries 4, 5 et 6 B prend en charge les tests de conformité automatisés de tenue au creux de tension. Les mesures se trouvent sous l'analyse de puissance verte et comprennent la LVRT (tenue à la basse tension) et la HVRT (tenue à la haute tension). 

Figure 31. Analyse de puissance verte disponible dans le module Analyse et mesure de puissance avancées (opt. PWR) 

Les deux mesures reposent sur des masques de tension et de temps qui définissent des zones d'exclusion à travers lesquelles la tension RMS ne doit pas passer. Les limites de ces masques sont définies par les normes et des masques personnalisés peuvent également être définis.

Le maintien en cas de creux de tension (LVRT) évalue les performances de l'onduleur en cas de creux de tension prolongé sur le réseau. La mesure est déclenchée lorsque la tension RMS du réseau tombe en dessous d'un niveau spécifié et l'Oscilloscope signale les défaillances si l'onduleur ne parvient pas à supporter le réseau pendant le temps requis.

Figure 32. Réglage pour la mesure de tenue à la basse tension

De même, la tenue aux creux de tension élevée (HVRT) est une mesure du comportement de l'onduleur pendant les événements de surtension du réseau. La mesure détermine si la réponse de l'onduleur reste dans les limites de temps de tension définies pendant ces perturbations, conformément aux limites définies dans les spécifications.

Réalisation des mesures

La mesure est ajoutée via le panneau de mesure, comme illustré à la Figure 31, et comprend plusieurs paramètres. Il s’agit d’une mesure monocoup, et les paramètres aident à configurer l’oscilloscope pour l’événement de creux ou de surtension. 

La spécification de la norme de test génère le masque de réussite/échec. Notez qu'un masque personnalisé peut également être créé.

Figure 33. Ces normes sont prises en charge dans les mesures de traversée. On peut également définir un masque personnalisé pour les tests de marge ou pour prendre en charge des normes propriétaires. 

La tension efficace nominale peut être mesurée automatiquement par l'Oscilloscope ou spécifiée manuellement. Lorsque la méthode de tension nominale dans la configuration de mesure est définie sur Auto, la fonction de préréglage de puissance capture huit cycles de la forme d'onde de sortie continue de l'onduleur et les utilise pour ajuster automatiquement les réglages verticaux et de déclenchement. Lorsque la méthode de tension nominale est définie sur Personnalisé, le système ne capture pas la forme d'onde ; au lieu de cela, il applique directement les réglages verticaux et de déclenchement en fonction de la tension nominale par unité définie par l'utilisateur.

Figure 34. Le panneau par défaut pour les mesures de maintien en service. Le préréglage d'alimentation configure l'oscilloscope en fonction des paramètres de configuration. L'échelle verticale est définie en fonction de la tension mesurée (Auto) ou des valeurs spécifiées par l'utilisateur (Personnalisé). La norme sélectionnée détermine l'échelle horizontale. En fonction de la mesure (LVRT ou HVRT), le déclenchement est défini sur runt ou front avec des niveaux appropriés. Cliquer sur le bouton Go règle l'oscilloscope pour une acquisition monocoup et il attend un déclenchement. 

Après la configuration, appuyer sur le bouton Power Preset sélectionne automatiquement les paramètres d'échelle et de déclenchement appropriés pour acquérir la perturbation intermittente de la tension du réseau. Appuyer sur Go arme l'oscilloscope pour une séquence unique. 

Résultats des mesures

La Figure 35 présente un exemple de résultat pour une mesure LVRT. La mesure affiche la tension et le temps lors de la première défaillance, et toutes les violations de masque apparaissent en blanc sur le tracé de mesure de la tension RMS.

Figure 35. Une défaillance de franchissement de basse tension, dans laquelle il y a une violation de la tension RMS. Les résultats de franchissement sont affichés clairement par rapport aux masques de temps de tension définis, ce qui facilite l'identification des problèmes de conformité. Les limites de test sont des masques définis par les normes CEA, IEEE 1547-2003, IEEE 1547-2018 (CAT-I, CAT-II et CAT-III), EVS-EN 50549 CAT-I et les normes personnalisées, qui définissent la limite de seuil de récupération pour la tension RMS de l'onduleur. Tout dépassement de masque pendant les conditions de franchissement entraîne l'échec du test.

Génération de rapports

La collecte de données, l'archivage et la documentation sont souvent des tâches fastidieuses mais nécessaires dans le processus de conception et de développement. 4/5/6-PWR comprend un outil de génération de rapports qui rend la documentation des résultats de mesure pratiquement sans effort.

En utilisant la fonction « Enregistrer sous » de l'oscilloscope, un rapport final avec la disposition spécifiée est généré et affiché sur l'écran de l'oscilloscope.

Figure 36. Les rapports sont disponibles aux formats de fichier .MHT ou .PDF.

Résumé

En utilisant les options de mesure et d'analyse de puissance avancées sur les Oscilloscopes MSO des séries 4, 5 et 6, les ingénieurs peuvent effectuer des mesures précises et répétables rapidement et avec un temps de configuration très court. Mieux encore, ils n'ont pas besoin d'effectuer de calculs manuels ! L'application de l'Oscilloscope fait le travail, et en utilisant les captures d'écran et la fonction de rapport, les ingénieurs peuvent facilement fournir une documentation complète sur la configuration de l'instrument, les formes d'onde et les résultats de mesure.

Quelles sondes conviennent à votre application ?

Les Oscilloscopes MSO des séries 4, 5 et 6 offrent les meilleures performances de mesure de puissance lorsqu'ils sont associés aux sondes de puissance adéquates. Les oscilloscopes sont équipés de l'interface de sonde TekVPI qui permet la communication entre l'oscilloscope et les sondes. Veuillez consulter www.tek.com/. accessoires pour des informations spécifiques sur les modèles recommandés de sondes différentielles et de courant, y compris les sondes isolées IsoVu et les sondes Rogowski, ainsi que tous les adaptateurs de sonde nécessaires.