寬帶寬電流傳感器DW500UB-2V

新型 DW500UB-2V 的電壓輸出信號(hào)為 2 V，電流為 500 A。全鋁機(jī)身確保了出色的電磁干擾屏蔽和更寬的工作溫度范圍。

用于功率分析的寬帶寬電流傳感器

目前，基于氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)頻率顯著提高，可以產(chǎn)生幾乎完美的正弦波形。 由于扼流圈的電感值和電容器的電容值與開(kāi)關(guān)頻率成反比，因此扼流圈和電容器等濾波器元件可以做得更小更輕。 未來(lái)，基于碳化硅和氮化鎵的元件將繼續(xù)被更多應(yīng)用所接受。 本文介紹了一種新方法，并介紹了一系列具有處理當(dāng)前所需寬帶寬能力的電流傳感器。

功率分析儀通常使用以下基本公式計(jì)算有功功率。

因此，將電壓 v(t) 和電流 i(t) 的數(shù)字化瞬時(shí)值相乘，然后將結(jié)果在規(guī)定的時(shí)間窗口內(nèi)相加。 基本上，直流分量、所有諧波和非諧波分量，直至功率分析儀的帶寬限制或?yàn)V波器截止頻率都會(huì)考慮在內(nèi)。 高端功率分析儀的工作頻率已高達(dá) 10 MHz。 在大多數(shù)情況下，電壓信號(hào)直接由功率分析儀處理，以便使用功率分析儀的全部帶寬。

對(duì)于大于 30 A 的電流測(cè)量，通常使用電隔離電流傳感器，它必須將一次信號(hào)高精度地傳輸?shù)蕉蝹?cè)。 這些電流傳感器的主要部件是銅線(xiàn)繞組和鐵芯。 此外，羅戈夫斯基線(xiàn)圈由纏繞銅線(xiàn)的線(xiàn)圈體組成。 這種結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生繞組電感，同時(shí)在單個(gè)繞組之間和單個(gè)繞組層之間總會(huì)形成不必要的電容。 因此，每個(gè)銅線(xiàn)繞組都代表一個(gè)潛在的振蕩電路。 利用湯姆遜振蕩方程可以計(jì)算出諧振頻率。

根據(jù)該公式可以看出，在電感不變的情況下，線(xiàn)圈的電容越大，諧振頻率越小。 下圖顯示了部分繞制的鐵芯。 整個(gè)次級(jí)繞組分為兩個(gè)線(xiàn)圈，并串聯(lián)在一起。 兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈都有多個(gè)繞組層。

在電氣等效電路中，各個(gè)電容并聯(lián)連接，這意味著一個(gè)繞組中的總電容相加。 由于線(xiàn)圈是串聯(lián)連接的，一個(gè)線(xiàn)圈的總電容必須除以二。 因此，一個(gè)線(xiàn)圈的總電容會(huì)隨著層數(shù)的增加而增加。 因此，匝數(shù)越多、層數(shù)越多的電流傳感器的諧振頻率就越低。

這一假設(shè)已在電感電流互感器的頻率測(cè)量中得到驗(yàn)證。 在圖 2 中，對(duì)具有不同匝數(shù)比的同類(lèi)型電感電流互感器進(jìn)行了高達(dá) 35 kHz 的測(cè)量。 在一次額定電流下，二次電流始終為 1 A。 因此，與其他設(shè)備相比，4000 A 型號(hào)的銅線(xiàn)匝數(shù)更多，繞組層數(shù)也更多。

4000 A 電流互感器的第一次諧振頻率約為 9570 赫茲。 3000 A 設(shè)備的諧振頻率約為 13 000 赫茲。 電流特性表明，次級(jí)信號(hào)不僅在共振點(diǎn)區(qū)域受到阻尼，而且還能被放大。 此外，還會(huì)出現(xiàn)不小的相移。

如果當(dāng)前傳感器制造商定義了帶寬，功率計(jì)算也應(yīng)限制在此范圍內(nèi)。 否則，超出這一頻率范圍的誤差會(huì)相當(dāng)大。 考慮到 5 A 電流鉗的頻率響應(yīng)，這一結(jié)論得到了進(jìn)一步證實(shí)。 根據(jù)數(shù)據(jù)表，鉗位的指定頻率可達(dá) 20 kHz。 在 20 kHz 之后，可以直接檢測(cè)到第一個(gè)共振點(diǎn)。 在 60 至 80 千赫之間還能檢測(cè)到一個(gè)共振點(diǎn)。 在此范圍內(nèi)，副邊可顯示增幅約為 1,270% 的振幅值。

一般情況下，制造商不愿意在批準(zhǔn)的測(cè)量范圍之外顯示其電流傳感器有時(shí)看起來(lái)雜亂無(wú)章的曲線(xiàn)。

不過(guò)，用戶(hù)必須預(yù)料到所使用的傳感器在未定義的較高頻率范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不期望的曲線(xiàn)特性。 指定頻率范圍以上的振幅強(qiáng)烈阻尼并不常見(jiàn)。

此外，高精度電流傳感器是根據(jù)零流量原理工作的，幾十年來(lái)一直用于電能測(cè)量，它由多個(gè)纏繞鐵芯和必要的電子元件組成。

頻率明顯高于 10 kHz 的電流成分通過(guò)第三個(gè)磁芯無(wú)源傳輸。 這意味著，根據(jù)變壓器原理，在 10 kHz 以上時(shí)，傳感器就像電流互感器一樣工作。

零磁通量技術(shù)的先驅(qū)現(xiàn)已成功優(yōu)化了這第三個(gè)磁芯，傳輸頻率可達(dá) 10 MHz。 達(dá)尼森新型 DW500UB-2V 電流傳感器的電流比為 500 A 至 2 V，頻率響應(yīng)高達(dá) 10 MHz，是目前該領(lǐng)域領(lǐng)先的零磁通量傳感器。

如果當(dāng)前的傳感器（如功率分析儀）現(xiàn)在能夠處理高達(dá) 10 MHz 的測(cè)量，那么未來(lái)在測(cè)試基于碳化硅的轉(zhuǎn)換器時(shí)，高精度、高可靠性的功率測(cè)量也將成為可能。 這里的開(kāi)關(guān)頻率通常為 50 至 100 kHz。 不過(guò)，除了這個(gè)開(kāi)關(guān)頻率外，開(kāi)關(guān)頻率的倍數(shù)還會(huì)形成相應(yīng)的邊帶。 這種現(xiàn)象可以用下面的公式來(lái)描述。

如果現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的脈沖頻率為 100 kHz，那么我們可以預(yù)期在 200、300 和 400 kHz 時(shí)也會(huì)出現(xiàn)阻尼振幅，并伴有相應(yīng)的邊帶。 為了準(zhǔn)確測(cè)量這種情況下發(fā)生的有功功率，必須注意，除了振幅誤差外，相位偏移也應(yīng)盡可能小，因?yàn)楦哳l范圍內(nèi)的功率因數(shù)明顯較小。 因此，相位位移對(duì)有功功率計(jì)算精度的影響顯著增加。 因此，用于功率分析的測(cè)量設(shè)備在振幅誤差和相位偏移方面應(yīng)能覆蓋盡可能大的頻率范圍，以排除高頻范圍內(nèi)的誤差。

除功率測(cè)量外，高帶寬還可用于檢測(cè)快速瞬態(tài)、浪涌電流、浪涌電流和電流上升陡度。 與功率測(cè)量相比，從 3 MHz 開(kāi)始的較大相移 (< -10 °) 在這里并不那么重要。

審核編輯 黃宇