Сергей Иголкин. Измерение потерь в дросселе-реакторе ШИМ-преобразователей.

Современная силовая электроника большей частью основана на ВЧ-ШИМ (PWM) преобразованиях электроэнергии. ШИМ (широтно-импульсная модуляция) — процесс управления мощностью методом пульсирующего включения и выключения потребителя энергии, обычно с частотой от единиц килогерц до сотен килогерц. Чаще всего на выходе таких преобразователей необходимо получить либо постоянное напряжение, возможно — регулируемое вне зависимости от входного напряжения по потребности пользователя, либо напряжение промышленной частоты 50/60 Гц. А на выходе ключевого преобразователя после коммутации мощным звеном на MOSFET или IGBT получается последовательность прямо импульсов с амплитудой, равной напряжению входного источника энергии и частотой преобразования и крутыми фронтами.

Этап эскизного проектирования

Для того, чтоб получить гладкое выходное постоянное или изменяющееся напряжение, или напряжение промышленной частоты (много ниже обычной частоты ШИМ-преобразователей) — выходную последовательность импульсов ключевого звена преобразователя нужно интегрировать. Для этого служит выходной дроссель-реактор преобразователя, и лишь в отдельных случаях, например — в частотных преобразователях для питания асинхронных электродвигателей, такой дроссель используется опционально, а вместо него для простоты используют внутреннюю индуктивность обмоток электродвигателей. Если они подключены длинным кабелем — его емкость заставляет понижать частоту преобразования, так как эта емкость сильно нагружает ключевое звено и увеличивает потери в нем на переключение.

Но дроссель-реактор не может преобразовать импульсное прямоугольное напряжение высокой частоты в гладкое без потерь, и, как правило, не полностью его сглаживает, остаются пульсации высокой частоты на выходе. Поэтому часто схема преобразователя дополняется еще дросселем-фильтром, одним или несколькими. Потери в этих дросселях-фильтрах почти полностью определяются их активным сопротивлением обмоток, тогда как составляющих потерь в дросселях-реакторах значительно больше, кроме активного сопротивления обмоток есть еще и потери на перемагничивание сердечника, и вихревые потери в обмотках, и вихревые потери в сердечнике  — и это только основные составляющие, так как желательно учитывать еще и вытеснение тока на поверхность проводника на ВЧ, и взаимовлияние витков обмотки и не только.

Особенности методики измерения потерь на ВЧ

Значительные потери на ВЧ приводят к перегреву дросселя-реактора, возрастанию сопротивления его обмоток (+0,4% на К) и при перегреве выше примерно 150°С процесс разогрева становится неуправляемым, даже если изоляция дросселя и его сердечник были бы способны работать на таких температурах.

Тем не менее, у разработчика обычно довольно мало возможностей комплексно учесть эти потери при расчете реактора, и потому разработка дросселя-реактора занимает много времени и несколько итераций через изготовление и испытание образцов. Основная проблема при этом — трудность быстрой оценки потерь даже готового образца дросселя-реактора, что затрудняет поиск оптимального для данной конструкции варианта. Чаще всего используют упрощенный калориметрический метод — зная массу и теплоемкость дросселя-реактора, включают его в рабочий режим и по скорости нарастания его температуры оценивают выделяющуюся в нем мощность потерь по формуле:

P=C/(t2-t1),

где P — мощность потерь, C — теплоемкость дросселя, t2 и t1 — выбранные моменты измерения температуры.

Это не слишком быстрый способ, и не очень точный, так как трудно учесть градиенты температуры в процессе нагрева. Более надежно просто выдержать время до установления температуры на поверхности дросселя при номинальной нагрузке в готовом преобразователе, но уже при мощностях порядка единиц киловатт это может занять час на каждое измерение.

Значение интегральных потерь для дросселя

Можно использовать также непосредственное измерение мощности ВЧ- потерь в дросселе, если измерять напряжение и ток и высчитывать отдельно активную составляющую в процессе измерения, подобно тому как это делается на промышленной частоте в обычном электросчетчике. Для одиночной гармоники (испытаний на чисто синусоидальном напряжении/токе) это P= U*I*cos φ, а для сложного прямоугольного импульса напряжения и треугольной формы тока в дросселе — это квадратный корень из суммы выборок (с частотой, многократно больше чем тактовая) произведений мгновенного напряжения на мгновенный ток (произведение с учетом знака, естественно).

Этот метод непосредственного измерения активных потерь реализован в [1], и для его реализации требуется довольно дорогое оборудование:  анализатор электрической мощности Power Analyzer PW6001 и датчика тока Current Box PW9100, например:

Таким образом можно произвести измерение просто в конкретной схеме преобразователя, будь то обратный одноключевой преобразователь, или прямоходный, или синхронный. Причем на реальных формах тока или напряжения, в реальных режимах, не включая в результат потери на коммутирующих ключах. Но есть и более простые методы, хоть, возможно, и менее точные но достаточные для практики, о них далее.

Общие активные потери изделия (преобразователя) можно было бы оценить просто замерив мощность на входе на холостом ходу, подобрав такой режим работы (скважность ШИМ и входное напряжение) чтоб максимально был нагружен дроссель-реактор именно реактивной составляющей. Из общей мощности потерь следует вычесть после вычисленные потери в ключах преобразователя, и, зная ток в дросселе — рассчитать активную составляющую потерь проводимости дросселя.

Использование MOSFET в ключевом каскаде

Но на этапе эскизного проектирования, разработки электромагнитных элементов, особенно для мощных преобразователей сетевого напряжения или высоковольтных — можно собрать простую схему из ключевого каскада на MOSFET  с малым сопротивлением канала (таким, чтобы потери в них можно было не учитывать), и исследуемый дроссель-реактор включать в резонансный режим.

Стенд для измерения суммарных потерь дросселя-реактора

Такой стенд для замера суммарных потерь дросселя-реактора  включает в себя осциллограф и лабораторный источник питания, а также генератор импульсов, все это обычно есть в распоряжении инженера на рабочем столе. Нужна также простая схема, которую можно собрать за один вечер:

В этой схеме применены ключи IRF2804 (или подобные им с сопротивлением открытого канала 1-2 мОм, можно включить несколько параллельно для нужного сопротивления), для раскачки затвора почти любые биполярные транзисторы, с током хотя бы 0,5-1А (например, BC807 — BC817).

Трансформаторы гальвано развязки на ферритовом кольце высокой проницаемости. Драйверы построены максимально просто, по схеме с самопитанием, зарядка емкостей питания каждого драйвера происходит через открывающиеся переходы база-коллектор транзисторов, диоды там не нужны. Благодаря самопитанию, выход стандартного лабораторного генератора импульсов с выходным сопротивлением 50 Ом может раскачать “тяжелые” затворы низковольтных ключей без потери крутизны импульсов, не нагружая разделительный трансформатор (сильно нагруженный трансформатор заваливает фронта импульсов из-за своей индуктивности рассеяния).

Батарея конденсаторов небольшой емкости нужна не только для того, чтоб подобрать емкость для резонанса на нужной частоте (тактовой частоте будущего преобразователя или на ее гармониках), но и для уменьшения потерь в емкостях, то есть уменьшения тока через каждую емкость и  уменьшения ESR при параллельном включении.  Несмотря на небольшую потребляемую мощность от источника питания — ток через эти конденсаторы может развиваться значительный, нужно это контролировать (рассчитывать, моделировать заранее). Также, следует выбирать емкости с небольшим ESR, и замерять его на частоте порядка 100 кГц, чтобы избежать неприятных сюрпризов — или использовать емкости, например, X2, где ESR по даташиту гарантирован.

Как с этим стендом работать. Включить генератор на вход, выставить частоту примерно около необходимой для измерений, включить лабораторный источник питания на малое напряжение и максимальный ток ограничения, осциллографом контролируя напряжение на испытуемом дросселе-реакторе. Увеличивая напряжение источника питания и подстраивая в резонанс генератор импульсов (“ступенька” на видимом сигнале установится на верхушках синуса, а амплитуда его максимальна), довести напряжение на дросселе до такого уровня, какой ожидается в будущем преобразователе в самом нагруженном из возможных режимов (максимальный реактивный ток из возможных в разных режимах). Мощность потребления от генератора и будет мощностью потерь в стенде, более точно потери именно в дросселе можно учесть, если отнять поправку на потери в ключах и в ESR резонансных конденсаторов, при правильной работе схемы это единицы процентов, и несущественны.

Отделение потерь ВЧ от потерь проводимости

 Отделять потери ВЧ от потерь проводимости нет необходимости — при реальной работе в изделии выделяемая в дросселе тепловая мощность складывается из потерь проводимости от тока нагрузки и суммарных потерь в дросселе, измеренных на этом стенде.

Воздействие поверхностного эффекта на потери

Дело в том, что на ВЧ добавляется вклад от поверхностного эффекта (вытеснение тока на поверхность проводника) и учесть это непросто, но, к счастью, и не нужно — ток нагрузки низкочастотный и поверхностного эффекта не вызывает, а остальные потери (на ВЧ) для инженера имеют смысл интегральный, так как все вместе греют дроссель. Конечно, их нужно разделять при проектировании, для чего существуют разные методы расчета и моделирования, но данный стенд лишь для оценки результатов проектирования (суммарных), чтоб быстро оценить результат и быстро изменить то, что нужно.

Потери при разных частотах

Разумеется, этим методом можно измерить суммарные потери на ВЧ только на одной частоте, между тем спектр прямоугольного импульса напряжения вызывает протекание тока треугольной формы в дросселе-реакторе, то есть имеются и высшие гармоники в спектре этого тока. Это может внести погрешность в измерение, поэтому есть смысл откалибровать стенд хотя бы по первым гармоникам, существенным для влияния на потери — а именно, вычислив амплитуду этих гармоник, провести испытание на этой же частоте с этой же амплитудой (как в реальной работе преобразователя), и если вклад окажется несущественным — то далее можно оценивать потери по первой гармонике.

Влияние гармоник на потери

Дело в том, что из-за свойств материала сердечника потери на гармониках могут иногда резко возрастать, и тогда придется это учитывать, несмотря на их относительно небольшую амплитуду.

_

[1] Измерение потерь в элементах с реактивным сопротивлением, работающих на высоких коммутационных частотах

Источник: Журнал «Силовая Электроника» № 6’2017