Het met grote nauwkeurigheid meten van ultrasnelle omvormers
De verdere ontwikkeling van omvormers is een belangrijke factor bij de uitbreiding van elektromobiliteit en bij de overstap naar hernieuwbare energiebronnen (afbeelding 1). Veel hangt af van hun vermogen om gelijkstroom uit accu’s en fotovoltaïsche installaties om te zetten in bruikbare wisselstroom. De schakelsnelheid is een belangrijke parameter. Een andere is het rendement.
Met name bij analyses van ultrasnelle SiC- of GaN-gebaseerde omvormers doet zich soms een merkwaardig fenomeen voor: het lijkt alsof er meer wisselstroomvermogen wordt afgegeven dan er gelijkstroom binnenkomt. Een dergelijke fysische paradox valt onmiddellijk op als een fout. Het blijkt lastiger te zijn wanneer een meting een realistische, maar foutieve waarde aangeeft. Het gaat erom dergelijke meetfouten te vermijden. Dat is alleen mogelijk met meetinstrumenten die voldoen aan de eisen van de nieuwe technologieën. En dat zijn vermogensmeetsystemen met een betrouwbare correctie van fasefouten.
De betrouwbaarheid van veel vermogensanalysatoren houdt op bij SiC en GaN
Fasefouten hebben nauwelijks invloed tot schakelfrequenties van ongeveer 10 kHz. Boven deze grens berekenen veel vermogensanalysatoren echter onjuiste rendementen. Bij op SiC gebaseerde omvormers zijn inmiddels tien keer zo hoge schakelfrequenties tot 100 kHz mogelijk. Op GaN gebaseerde omvormers schakelen zelfs met een factor 100 tot 1 MHz. Als gevolg hiervan leveren gangbare vermogensanalysatoren onbetrouwbare metingen bij faseverschillen. Een reden hiervoor is het gebruik van stroomsensoren van derden, die niet specifiek zijn ontwikkeld voor gebruik met vermogensanalysatoren en daardoor geen constante tijdvertraging hebben. Juist dit leidt bij hoge frequenties tot meetafwijkingen. Conclusie: hoewel hoogwaardige vermogensanalysatoren feilloos werken, bereiken ze bij hoogfrequente omvormers op basis van SiC- en GaN-technologieën vaak hun grenzen wat betreft nauwkeurigheid.
Automatische correctie van de faseverschuiving minimaliseert fasefouten
Om meetfouten in het faseverschil bij hoge schakelfrequenties te corrigeren, heeft Hioki voor de Power Analyzer PW8001 een bijzonder effectieve correctie van de faseverschuiving ontwikkeld (afbeelding 2). Om deze betrouwbaar te laten functioneren, zijn twee voorwaarden vereist:
- een vermogensanalysator die de fasecorrectie correct uitvoert
- een zero-flux-stroomsensor met een bekende, constante tijdvertraging De nieuwe faseverschuivingscorrectie is vergelijkbaar met de bekende deskew-functie in oscilloscopen: Wanneer twee verschillende signalen vanwege latenties met een tijdsverschil bij de oscilloscoop aankomen, elimineert de Deskew-functie de signaalverschuiving door de latentie te compenseren met een vaste tijdswaarde. De fasefout hangt rechtstreeks samen met de tijdvertraging van de stroomsensor. Voor een stroomsensor uit de CT68xxA-serie van Hioki wordt de vertraging bijvoorbeeld weergegeven in afbeelding 3. Hier is de tijdvertraging in nanoseconden afhankelijk van de frequentie te zien.
Belangrijk: een vertraging van 100 ns bij 100 Hz heeft niet hetzelfde effect als een vertraging van 100 ns bij 1 MHz. Dit wordt duidelijk wanneer men de tijdvertraging omrekent naar de fasevertraging (uitgedrukt in graden) (afbeelding 4).
Analysatoren en sensoren werken nauwkeurig samen
Hioki heeft zijn Zero-Flux-stroomsensoren niet voor niets samen met zijn vermogensanalysatoren ontwikkeld. Om de fasevertraging effectief te compenseren, moet de tijdvertraging van de stroomsensor constant blijven, ongeacht de frequentie. Bovendien worden de belangrijkste gegevens van de stroomsensoren automatisch via plug-and-play naar de vermogensanalysator verzonden. Naast de fasefout gaat het daarbij om de nominale stroom, het sensortype en het serienummer. De stroomsensor hoeft alleen maar op de Power Analyzer PW8001 te worden aangesloten om foutloos te kunnen worden gebruikt en fasefouten automatisch te compenseren. Bij gangbare stroomsensoren op de markt doet zich een gedrag voor zoals weergegeven in afbeelding 5.
Bij stroomsensoren van andere fabrikanten varieert de tijdvertraging afhankelijk van de frequentie. Voor het meetsysteem is het volstrekt onduidelijk welke deskew-parameter moet worden gebruikt. Een correctie van de faseverschuiving is bij sensoren van andere fabrikanten vrijwel onmogelijk.
Geen ruimte voor fouten
Nog een bijzonderheid: de positie van de geleider heeft geen enkele invloed op de fasevertraging. In het diagram in figuur 6 is slechts één curve te zien. Dat komt doordat de fasevertragingscurves voor alle vijf meetposities identiek zijn.
Er is absoluut geen ruimte voor fouten. Ook hier geldt: niet alle stroomsensoren beschikken standaard over deze eigenschap. Zoals uit het diagram in figuur 7 blijkt, heeft bij andere, in de handel verkrijgbare sensoren de positie van de geleider in de sensor invloed op de fasefout.
Hoogspanningsdeler voor toepassingen tot 5 kV
Ook voor hoogspanningstoepassingen is er een passende oplossing: de hoogspanningsdeler VT1005. Deze meet spanningen tot 5 kV en een bandbreedte tot 4 MHz met maximale nauwkeurigheid. De bekende fasefout van de hoogspanningsdeler maakt compensatie in de Power Analyzer mogelijk. Dit is een enorme vooruitgang op het gebied van precisie in vergelijking met eerdere oplossingen met differentiële meetkoppen en levert vooral voordelen op bij hoogspannings- en hoogfrequentietoepassingen met SiC- en GaN-halfgeleiders.
Het gaat om een hoge reproduceerbaarheid van de meetresultaten
De reproduceerbaarheid van meetresultaten is essentieel voor geldige conclusies. Om dit te waarborgen heeft Hioki het rendement van een op SiC gebaseerde omvormer gedurende 30 seconden gemeten met de Power Analyzer PW8001 in combinatie met de voor 50 A ontworpen AC/DC-stroomsensoren CT6872.
De schakelfrequentie van de SiC-halfgeleiders bedroeg 50 kHz; de motor draaide met een constant toerental van 1000 omw/min. De integratietijd voor de meting werd ingesteld op 200 ms. De motorstroom bedroeg in dit experiment ongeveer 2 A. De grafiek in figuur 8 illustreert de verbazingwekkende stabiliteit van de meting. Zoals te zien is, bedraagt het verschil tussen de hoogste en laagste meetwaarde over een periode van 30 seconden minder dan 0,2 %. Dit bewijst een zeer goede reproduceerbaarheid, zelfs bij lage stroomsterktes. Dat is belangrijk, met name in de ontwikkelingsfase. Zelfs kleine verbeteringen in het rendement kunnen dankzij een betrouwbare faseverschuivingscorrectie eenvoudig en nauwkeurig worden vastgesteld. Onder dezelfde testomstandigheden werden de vermogensanalysatoren van twee gerenommeerde concurrenten getest. Het resultaat wordt weergegeven in figuur 9. De reproduceerbaarheid van de meetresultaten is duidelijk een stuk slechter. Bij beide systemen bedraagt het verschil tussen het hoogste en laagste rendement meer dan 1 %. Ingenieurs kunnen in dit geval moeilijk nagaan of wijzigingen in het ontwerp al dan niet effect hebben. Zelfs als er bijvoorbeeld een 0,9% hoger rendement wordt gemeten, kan dit mogelijk alleen worden toegeschreven aan de slechte reproduceerbaarheid van de meting – zonder dat het rendement daadwerkelijk is verbeterd.
Vermogensanalysator en sensortechniek uit één hand
Een betrouwbare correctie van de faseverschuiving is mogelijk, maar alleen met een ideale combinatie van een vermogensanalysator met faseverschuivingscorrectie en een stroomsensor met een stabiele, bekende tijdvertraging. De PW8001 herkent de stroomsensor automatisch en leest de vier parameters zelfstandig uit. Op basis van de faseverschuivingsgegevens compenseert de automatische faseverschuivingscorrectie de fasefout (afbeelding 10).
Bij de ontwikkeling heeft Hioki bijzondere aandacht besteed aan een stabiele tijdvertraging. Zero-Flux-stroomsensoren van andere fabrikanten zijn geschikt voor toepassingen waarbij de eigenschappen op het gebied van tijdvertraging minder van belang zijn. Maar alleen de Power Analyzers van Hioki, in combinatie met Zero-Flux-stroomsensoren van Hioki (afbeelding 11), meten hoogfrequente omvormers met absolute precisie.
