Ultraschnelle Wechselrichter hochpräzise messen
Die Weiterentwicklung von Wechselrichtern ist ein wichtiger Faktor beim Ausbau der Elektromobilität und beim Umstieg auf erneuerbare Energien (Bild 1). Viel hängt von deren Fähigkeiten ab, DC-Strom aus Batterien und PV in brauchbaren AC-Strom umzuwandeln. Die Schaltgeschwindigkeit ist eine wichtige Kennzahl. Eine andere ist der Wirkungsgrad.
Speziell bei Analysen an ultraschnellen SiC- oder GaN-basierten Wechselrichtern tritt zuweilen ein merkwürdiges Phänomen auf: Es scheint so, als würde mehr AC-Leistung ausgehen als DC einfließt. Solch ein physikalisches Paradoxon fällt als Fehler sofort auf. Schwieriger erweist es sich, wenn eine Messung einen realistischen, aber fehlerhaften Wert anzeigt. Es geht darum, Messfehler wie diese zu vermeiden. Das ist nur möglich mit Messinstrumenten, die den neuen Technologien gerecht werden. Und das sind Leistungsmesssysteme mit einer verlässlichen Korrektur von Phasenfehlern.
Die Zuverlässigkeit vieler Power Analyzer endet bei SiC und GaN
Phasenfehler wirken sich bis zu Schaltfrequenzen um 10 kHz kaum aus. Jenseits dieser Grenze allerdings berechnen viele Power Analyzer falsche Wirkungsgrade. Bei SiC-basierten Wechselrichtern sind inzwischen zehnfache Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz möglich. GaN-basierte Wechselrichter schalten sogar mit dem Faktor 100 bis zu 1 MHz. In der Folge produzieren marktübliche Leistungsanalysatoren bei der Phasendifferenz unzuverlässige Messungen. Ein Grund dafür ist die Verwendung von Stromsensoren von Drittanbietern, die nicht speziell für die Verwendung mit Leistungsanalysatoren entwickelt wurden und darum keine konstante Zeitverzögerung haben. Genau das führt bei hohen Frequenzen zu Messabweichungen. Fazit: Obwohl hochwertige Power Analyzer tadellos arbeiten, erreichen sie für hochfrequente Wechselrichter auf Basis von SiC- und GaN-Technologien oft ihre Grenzen in der Genauigkeit.
Automatische Phasenverschiebungskorrektur minimiert Phasenfehler
Um Messfehler in der Phasendifferenz bei hohen Schaltfrequenzen zu korrigieren, hat Hioki für den Power Analyzer PW8001 eine besonders wirkungsvolle Korrektur der Phasenverschiebung entwickelt (Bild 2). Damit diese zuverlässig funktionieren kann, sind zwei Voraussetzungen erforderlich:
- ein Power Analyzer, der die Phasenkorrektur richtig durchführt
- ein Zero-Flux-Stromsensor mit bekannter, konstanter Zeitverzögerung Vergleichbar ist die neue Phasenverschiebungskorrektur mit der bekannten Deskew-Funktion in Oszilloskopen: Wenn zwei verschiedene Signale aufgrund von Latenzen zeitverschoben am Oszilloskop ankommen, beseitigt die Deskew-Funktion den Signalversatz, indem sie die Latenz mit einem festen Zeitwert ausgleicht. Der Phasenfehler hängt direkt mit der Zeitverzögerung des Stromsensors zusammen. Für einen Stromsensor d er S erie C T68xxA v on Hioki beispielsweise ist die Verzögerung in Bild 3 dargestellt. Man sieht die Zeitverzögerung in Nanosekunden abhängig von der Frequenz.
Wichtig: Eine Verzögerung von 100 ns bei 100 Hz wirkt nicht wie eine Verzögerung von 100 ns bei 1 MHz. Das wird deutlich, wenn man die Zeitverzögerung in die Phasenverzögerung (ausgedrückt in Grad) umrechnet (Bild 4).
Analysatoren und Sensorik arbeiten präzise zusammen
Hioki hat seine Zero-Flux-Stromsensoren aus gutem Grund gemeinsam mit seinen Leistungsanalysatoren entwickelt. Um die Phasenverzögerung effektiv auszugleichen, muss die Zeitverzögerung des Stromsensors unabhängig von der Frequenz konstant bleiben. Zudem werden die wichtigsten Kennzahlen der Stromsensoren automatisch im Plugand-play an den Power Analyzer übermittelt. Dabei handelt es sich neben dem Phasenfehler um den Nennstrom, den Sensortyp und die Seriennummer. Der Stromsensor muss lediglich an den Power Analyzer PW8001 angeschlossen werden, um fehlerfrei eingesetzt zu werden und Phasenfehler automatisch auszugleichen. Bei marktüblichen Stromsensoren zeigt sich ein Verhalten, wie in Bild 5 dargestellt.
Bei Stromsensoren anderer Hersteller variiert die Zeitverzögerung je nach Frequenz. Für das Messsystem ist es völlig unklar, welcher der Deskew-Parameter herangezogen werden soll. Eine Phasenverschiebungskorrektur wird bei systemfremden Sensoren nahezu unmöglich.
Kein Spielraum für Fehler
Eine weitere Besonderheit: Die Leiterposition hat keinerlei Einfluss auf die Phasenverzögerung. Im Diagramm in Bild 6 ist nur eine Kurve zu sehen. Das liegt daran, dass die Phasenverzögerungskurven für alle fünf Messpositionen identisch sind.
Es besteht keinerlei Spielraum für Fehler. Auch hier gilt: Nicht alle Stromsensoren bieten standardmäßig diese Eigenschaft. Wie aus dem Diagramm in Bild 7 hervorgeht, wirkt sich bei anderen marktüblichen Sensoren die Leiterposition im Sensor auf den Phasenfehler aus.
Hochspannungsteiler für Anwendungen bis 5 kV
Für Anwendungen in der Hochspannung gibt es ebenfalls eine passende Lösung: den Hochspannungsteiler VT1005. Er misst Spannungen bis zu 5 kV und einer Bandbreite bis 4 MHz mit maximaler Genauigkeit. Der bekannte Phasenfehler des Hochspannungsteilers ermöglicht den Ausgleich im Power Analyzer. Das ist ein gewaltiger Fortschritt in puncto Präzision im Vergleich zu bisherigen Lösungen mit Differenzialtastköpfen und zahlt sich insbesondere bei Hochspannungsund Hochfrequenzanwendungen mit SiC- und GaN-Halbleitern aus.
Es geht um eine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse
Die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen ist grundlegend für valide Schlussfolgerungen. Um diese zu gewährleisten, hat Hioki den Wirkungsgrad eines SiC-basierten Wechselrichters für 30 Sekunden mit dem Power Analyzer PW8001 in Kombination mit den für 50 A ausgelegten AC/DCStromsensoren CT6872 gemessen.
Die Schaltfrequenz der SiC-Halbleiter betrug 50 kHz, der Motor lief mit einer konstanten Drehzahl von 1000 U/min. Die Integrationszeit für die Messung wurde auf 200 ms eingestellt. Der Motorstrom betrug in diesem Experiment etwa 2 A. Das Diagramm in Bild 8 veranschaulicht die erstaunliche Stabilität der Messung. Man sieht: Die Differenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Messergebnis über die Dauer von 30 Sekunden liegt unter 0,2 %. Das beweist eine sehr gute Reproduzierbarkeit selbst bei niedrigen Stromstärken. Das ist wichtig, insbesondere in der Entwicklungsphase. Selbst geringfügige Verbesserungen des Wirkungsgrads sind somit dank einer zuverlässigen Phasenverschiebungskorrektur einfach und genau ermittelbar. Unter den gleichen Testbedingungen wurden die Leistungsanalysatoren zweier namhafter Wettbewerber getestet. Das Ergebnis ist in Bild 9 dargestellt. Die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ist definitiv um einiges schlechter. Bei beiden Systemen beträgt die Differenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Wirkungsgrad mehr als 1%. Die Ingenieure können in diesem Fall nur schwer verifizieren, ob Änderungen in der Auslegung eine Wirkung zeigen oder nicht. Selbst wenn beispielsweise ein um 0,9% höherer Wirkungsgrad gemessen wird, kann dies eventuell nur auf die schlechte Reproduzierbarkeit der Messung zurückgeführt werden – ohne dass der Wirkungsgrad tatsächlich verbessert werden konnte.
Power Analyzer und Sensorik aus einer Hand
Eine zuverlässige Korrektur der Phasenverschiebung ist möglich, jedoch nur mit einer idealen Kombination aus Power Analyzer mit Phasenverschiebungskorrektur und einem Stromsensor mit stabiler, bekannter Zeitverzögerung. Der PW8001 erkennt den Stromsensor automatisch und liest die vier Parameter selbstständig aus. Basierend auf den Phasenverschiebungsdaten kompensiert die automatische Phasenverschiebungskorrektur den Phasenfehler (Bild 10).
Bei der Entwicklung hat Hioki besonders auf eine stabile Zeitverzögerung geachtet. Zero-Flux-Stromsensoren von anderen Herstellern eigenen sich für Anwendungen, in denen Zeitverzögerungseigenschaften weniger von Bedeutung sind. Doch nur Power Analyzer von Hioki in Verbindung mit Zero-Flux-Stromsensoren von Hioki (Bild 11) messen hochfrequente Wechselrichter mit absoluter Präzision.
