CN107703365A - 功率电感动态等效电感值测试系统及其测试方法 - Google Patents
功率电感动态等效电感值测试系统及其测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种功率电感动态等效电感值测试系统，其包括电压采集模块、电流采集模块、控制器；电压采集模块实时采集待测功率电感两端间电压uab；电流采集模块实时采集流过待测功率电感的电流i；控制器计算输出待测功率电感对应于当前电流i(t)的理想电感t为当前时间，ξ为时间，uab为待测功率电感两端间电压，i为流过待测功率电感的电流，R(id)为待测功率电感的直流电阻。本发明还公开了该测试系统的测试方法。本发明的测试系统及方法，能获得功率电感的动态等效电感值，为功率电感的应用提供精确输入。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件测试技术，特别涉及一种功率电感动态等效电感测试系统及其测试方法。
背景技术
功率电感作为常用器件在功率变换、控制和电源等领域应用非常广泛。
功率电感的电感值随流过其中的电流的增加而变化，即动态等效电感L是流过其中的电流i的函数f(i)：
L＝f(i)……(1)
LCR测试仪能准确并稳定地测定各种各样的元件参数，主要是用来测试电感、电容、电阻的测试仪。它具有功能直接、操作简便等特点，能以较低的预算来满足生产线质量保证、进货检验、电子维修业对器件的测试要求。常用的LCR测试仪可以测量功率电感值，可以测量得到不同频率下的电感值，不足的是，这些电感值都是静态电感值，测量电流都很小，在毫安级范围。不能测试功率电感随通常为安培级范围的大电流的变化对应的动态等效电感值。
实际工业应用，功率电感只有静态电感值远远不能满足应用需求。功率电感如果无动态等效电感值，要么不能实现精确应用，要么只能留出比较大的余量，导致器件设计浪费或系统设计浪费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是能获得功率电感的动态等效电感值，为功率电感的应用提供精确输入。
为解决上述技术问题，本发明提供的功率电感动态等效电感值测试系统，其包括电压采集模块、电流采集模块、控制器；
所述电压采集模块，实时采集待测功率电感两端间电压uab；
所述电流采集模块，实时采集流过待测功率电感的电流i；
所述控制器，计算输出待测功率电感对应于当前电流i(t)的理想电感L(t)；
t为当前时间，ξ为时间，uab为待测功率电感两端间电压，i为流过待测功率电感的电流，R(id)为待测功率电感的直流电阻。
较佳的，所述电压采集模块，分别采集待测功率电感上端电压ua及待测功率电感下端电压ub，并通过差分运算消除共模干扰，uab＝ua-ub。
较佳的，所述电流采集模块同所述电压采集模块同步采集待测功率电感两端间电压uab及流过待测功率电感的电流i。
较佳的，所述电流采集模块采用分流电阻或者霍尔电流传感器来采集流过待测功率电感的电流。
较佳的，该测试系统还包括智能电源模块；
所述智能电源模块接所述控制器的电源控制信号；
所述智能电源模块，用于提供测试系统工作电压和电感值测试特定电压。
较佳的，所述智能电源模块的输出电压具有恒压和恒流特性。
较佳的，所述智能电源模块，兼容交流输入和直流输入。
较佳的，所述智能电源模块的直流输入为升降压转换电源。
较佳的，该测试系统还包括电子开关；
待测功率电感上端接所述智能电源模块的电感值测试特定电压；
所述电子开关，串接在待测功率电感下端同地之间，并且电子开关的控制端接所述控制器的开关控制信号。
较佳的，所述电子开关，采用单个功率晶体管、MOSFET或IGBT来实现，或者采用两个并联的MOSFET或者IGBT来实现。
较佳的，该测试系统还包括计算机接口模块；
所述计算机接口模块，同所述控制器连接，用于与计算机通信。
较佳的，所述计算机接口模块，通过USB或LAN方式与计算机通信。
较佳的，该测试系统还包括人机接口模块；
所述人机接口模块同所述控制器连接，用于提供实现测试系统的控制及参数设置的人机交互界面。
较佳的，所述人机接口模块，通过键盘/按钮和液晶显示屏实现测试系统的控制及参数设置。
较佳的，测试系统的测试结果，显示为表格或曲线形式的“当前电流i(t)——理想电感L(t)”。
较佳的，该测试系统还包括保护泄能模块；
所述保护泄能模块，其控制端接所述控制器的保护控制信号，用于并联在待测功率电感的两端，释放测试时存储在待测功率电感中的能量，同时限制关断电子开关时待测功率电感产生的高电压尖峰。
较佳的，所述的功率电感动态等效电感值测试系统的测试方法，其包括以下步骤：
一.测试系统加电并初始化。
二.进行电感测试参数设置，连接待测功率电感；
所述电感测试参数，包括测试结果输出格式电感值测试特定电压；
三.测试待测功率电感的直流电阻R(id)；
四.能量初始化，即由控制器控制保护泄能模块工作，使得待测功率电感中的电流达到0；
五.控制器控制智能电源模块输出电感值测试特定电压；
六.控制器在控制打开电子开关的同时，控制电压采集模块及电流采集模块同步采集待测功率电感两端间电压uab和流过待测功率电感的电流i；
七.控制器计算输出待测功率电感对应于当前电流i(t)的理想电感L(t)；
八.控制器根据测试结果输出格式将“电流ir——理想电感L(ir)”测试结果输出到人机接口模块或计算机接口模块，用户通过人机接口模块或计算机接口模块，提取应用需要的数据。
较佳的，所述测试结果输出格式设置格式为表格或图形。
较佳的，步骤二中设置的电感测试参数，还包时间限值、电流限值；
步骤七同时判断电流变化率；如果电流变化率减小到0，或待测功率电感通流时间达到时间限值，或者流过待测功率电感的电流达到电流限值，控制器控制关断电子开关，并控制保护泄能模块释放待测功率电感中存储的能量。
较佳的，步骤三中，控制器控制智能电源模块恒流输出电感值测试特定电压，直到流过待测功率电感的电流i达到稳定，记录待测功率电感两端电压uab和流过待测功率电感的电流i，计算得到R(id)，
本发明的功率电感动态等效电感值测试系统，根据能量守恒原理，通过测试得到随电流变化对应的等效电感值，优于简单的静态电感值，获得的电流-等效电感数据，可以为功率电感的应用提供精确输入。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是电感中低频应用的等效电路模型；
图2是本发明的功率电感动态等效电感值测试系统一实施例示意图；
图3是本发明的功率电感动态等效电感值测试系统一实施例对某功率电感测试的功率电感动态等效电感和能量示例；
图4是本发明的功率电感动态等效电感值测试系统另一实施例示意图；
图5是本发明的功率电感动态等效电感值测试系统再一实施例示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
电感在中低频应用下的等效电路模型如图1所示。电路模型表明，实际电感等于理想电感L与理想电阻R串联。
实际电感上的电压电流关系：
uR(t)＝i(t)·R(id)……………(3)
uab(t)＝ua(t)-ub(t)……………(4)
实际电感的能量关系：
pab(t)＝uab(t)·i(t)……………(6)
取t0＝0，有：
取i(0)＝0，有：
其中：
由此，电感能量可以表达为总能量与电阻消耗的能量之差：
WL(t)＝Wab(t)-WR(t)……………(16)
由电感能量公式(公式13)可以推出实际电感对应于当前电流i(t)的理想电感L(t)：
总能量又可以通过功率对时间的积分(公式9)计算：
则由公式(15)、(16)、(17)、(18)，可以推出实际电感对应于当前电流i(t)的理想电感L(t)：
式(19)即为式(1)动态等效电感L的函数表达式。通过公式(19)可以测试计算得到动态等效电感值。
i为流过待测功率电感的电流，i(t)为当前流过待测功率电感的电流，L(t)为待测功率电感对应于当前电流i(t)的理想电感，t为当前时间，ξ为时间，uab为实际电感两端间电压，ua为实际电感上端电压，ub为实际电感下端电压，R(id)为实际电感的直流电阻，uL为理想电感上的电压，uR为理想电阻上的电压，pab为实际电感功率，Wab(t0,t)为实际电感从开始时间t0到当前时间t消耗能量，WL(t)为理想电感消耗能量，WR(t)为理想电阻消耗能量。
功率电感动态等效电感值测试系统，如图2所示，该测试系统包括电压采集模块、电流采集模块、控制器；
所述电压采集模块，实时高速采集待测功率电感两端间电压uab；
所述电流采集模块，实时高速采集流过待测功率电感的电流i；
所述控制器，计算输出待测功率电感对应于当前电流i(t)的理想电感L(t)(即功率电感动态等效电感)；
t为当前时间，ξ为时间，uab为待测功率电感两端间电压，i为流过待测功率电感的电流，R(id)为待测功率电感的直流电阻。
实施例一的功率电感动态等效电感值测试系统，根据能量守恒原理，通过测试得到随电流变化对应的等效电感值，优于简单的静态电感值(小电流条件下测试所得)，获得的电流-等效电感数据，可以为功率电感的应用提供精确输入。
例如，对于工程应用，需要电感存储能量，在需要的时机再释放，静态电感LS存储能量Ws计算为：
随着电感电流的增加，等效电感会变化，即L(i)≠LS，如果按式(20)计算对应的电流来控制，实际所存储的能量Wi要么小于需求值Wreq，要么大于需求值，即Wi<Wreq或Wi<Wreq，只在有限的点可能获得Wi＝Wreq。经过动态等效电感测试后得到“电流-等效电感”关系数据，同样电感能量计算，计算公式变为：
用式(21)计算得到的能量值精确表达了电感在额定工作电流范围内的存储的真实能量。
用此测试系统对某功率电感的测试结果如图3所示，测试结果反应了等效电感随电流的变化而变化，用此“电流-等效电感”计算得到的能量真实反应了功率电感实际存储的能量，对功率电感的应用提供了精确输入，结合应用条件测试相应的“电流-等效电感”特性数据或曲线，可以作为实际工程应用的参考或输入。
实施例二
基于实施例一的功率电感动态等效电感值测试系统，所述电压采集模块，分别采集待测功率电感上端电压ua及待测功率电感下端电压ub，并通过差分运算消除共模干扰，uab＝ua-ub。
较佳的，所述电流采集模块同所述电压采集模块同步采集待测功率电感两端间电压uab及流过待测功率电感的电流i。
较佳的，所述电流采集模块采用Shunt电阻(分流电阻)采集流过待测功率电感的电流(如图4)，或者采用霍尔电流传感器采集流过待测功率电感的电流(如图5)。
实施例三
基于实施例一，功率电感动态等效电感值测试系统还包括智能电源模块；
所述智能电源模块接所述控制器的电源控制信号，用于提供测试系统的工作电压和电感值测试特定电压，所述智能电源模块的输出电压具有恒压和恒流特性。
较佳的，所述智能电源模块，兼容交流输入和直流输入。
较佳的，智能电源模块的直流输入设计为升降压转换电源，以满足不同测试电压的应用。电源电压范围根据测试对象范围，设计为满足12V系统、24V系统、48V系统或其他电压等级系统；功率范围通常设计在1kW内，可以满足大部分中小功率的测试应用。对于其他大功率的测试需求，可按相同的原理来设计。
实施例三
基于实施例一，功率电感动态等效电感值测试系统还包括电子开关；
待测功率电感上端接所述智能电源模块的电感值测试特定电压；
所述电子开关，串接在待测功率电感下端同地之间，并且电子开关的控制端接所述控制器的开关控制信号。
所述控制处理运算模块，输出开关控制信号控制电子开关的通断，从而精确控制电感通电时间。电子开关的设计，兼容低频率、中高频率开关，兼容小电流、中大电流能力。
所述电子开关，可以采用单个功率晶体管、MOSFET或IGBT来实现，也可以采用两个并联的MOSFET或者IGBT来实现，如图4、图5。
实施例四
基于实施例一，功率电感动态等效电感值测试系统还包括计算机接口模块；
所述计算机接口模块，同所述控制器连接，用于与计算机通信，利用计算机实现测试系统的控制及参数设置，并输出数据和测试结果到计算机。
较佳的，所述计算机接口模块，通过USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)或LAN(Local Area Network，局域网)方式与计算机通信。
实施例五
基于实施例一，功率电感动态等效电感值测试系统还包括人机接口模块；
所述人机接口模块同所述控制器连接，用于提供实现测试系统的控制及参数设置的人机交互界面。
较佳的，所述人机接口模块，通过键盘/按钮和液晶显示屏实现测试系统的控制及参数设置。
较佳的，测试系统的测试结果，可以显示为表格或曲线等形式的“当前电流i(t)——理想电感L(t)”，由此可以根据应用需求，选取一系列“电流-等效电感”值或几个需要的电流对应的等效电感值组合。
实施例六
基于实施例三，功率电感动态等效电感值测试系统还包括保护泄能模块；
所述保护泄能模块，其控制端接所述控制器的保护控制信号，用于并联在待测功率电感的两端，释放测试时存储在待测功率电感中的能量，同时限制关断电子开关时待测功率电感产生的高电压尖峰。
通过保护泄能模块的泄能功能，可以在测试初始化阶段完全释放待测功率电感中的能量，提高测试准确性。
实施例七
功率电感动态等效电感值测试系统的测试方法，包括以下步骤：
一.测试系统加电并初始化。
二.进行电感测试参数设置，连接待测功率电感；
所述电感测试参数，包括测试结果输出格式、电感值测试特定电压；
三.测试待测功率电感的直流电阻R(id)；
四.能量初始化，即由控制器控制保护泄能模块工作，使得待测功率电感中的电流达到0(即使得待测功率电感中能量完全释放)；
五.控制器控制智能电源模块输出电感值测试特定电压；
六.控制器在控制打开电子开关的同时，控制电压采集模块及电流采集模块同步采集待测功率电感两端间电压uab和流过待测功率电感的电流i；
七.控制器计算输出待测功率电感对应于当前电流i(t)的理想电感L(t)；
八.控制器根据测试结果输出格式将“电流ir——理想电感L(ir)”测试结果输出到人机接口模块或计算机接口模块，用户通过人机接口模块或计算机接口模块，提取应用需要的数据。
较佳的，所述测试结果输出格式设置格式为表格或图形。
较佳的，步骤二中设置的电感测试参数还包时间限值、电流限值；
步骤七同时判断电流变化率；如果电流变化率减小到0，或待测功率电感通流时间达到时间限值，或者流过待测功率电感的电流达到电流限值，控制器控制关断电子开关，并控制保护泄能模块释放待测功率电感中存储的能量，同时避免高压。
较佳的，步骤三中，控制器控制智能电源模块恒流输出电感值测试特定电压，直到流过待测功率电感的电流i达到稳定，记录待测功率电感两端电压uab和流过待测功率电感的电流i，计算得到R(id)，
逐步调节智能电源模块输出电流，可以得到一系列R(id)—id值，功率电感的直流电阻因电流变化不大，取有限的测试点就可以得到比较精确的值，由此获得R(id))。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (20)
1.一种功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，该测试系统包括电压采集模块、电流采集模块、控制器；
所述电压采集模块，实时采集待测功率电感两端间电压uab；
所述电流采集模块，实时采集流过待测功率电感的电流i；
所述控制器，计算输出待测功率电感对应于当前电流i(t)的理想电感L(t)；
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<mi>t</mi>
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</mrow>
</mrow>
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<mo>;</mo>
</mrow>
t为当前时间，ξ为时间，uab为待测功率电感两端间电压，i为流过待测功率电感的电流，R(id)为待测功率电感的直流电阻。
2.根据权利要求1所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
所述电压采集模块，分别采集待测功率电感上端电压ua及待测功率电感下端电压ub，并通过差分运算消除共模干扰，uab＝ua-ub。
3.根据权利要求1所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
所述电流采集模块同所述电压采集模块同步采集待测功率电感两端间电压uab及流过待测功率电感的电流i。
4.根据权利要求1所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
所述电流采集模块采用分流电阻或者霍尔电流传感器来采集流过待测功率电感的电流。
5.根据权利要求1所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
该测试系统还包括智能电源模块；
所述智能电源模块接所述控制器的电源控制信号；
所述智能电源模块，用于提供测试系统工作电压和电感值测试特定电压。
6.根据权利要求5所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
所述智能电源模块的输出电压具有恒压和恒流特性。
7.根据权利要求5所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
所述智能电源模块，兼容交流输入和直流输入。
8.根据权利要求7所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
所述智能电源模块的直流输入为升降压转换电源。
9.根据权利要求1所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
该测试系统还包括电子开关；
待测功率电感上端接所述智能电源模块的电感值测试特定电压；
所述电子开关，串接在待测功率电感下端同地之间，并且电子开关的控制端接所述控制器的开关控制信号。
10.根据权利要求9所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
所述电子开关，采用单个功率晶体管、MOSFET或IGBT来实现，或者采用两个并联的MOSFET或者IGBT来实现。
11.根据权利要求1所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
该测试系统还包括计算机接口模块；
所述计算机接口模块，同所述控制器连接，用于与计算机通信。
12.根据权利要求11所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
所述计算机接口模块，通过USB或LAN方式与计算机通信。
13.根据权利要求1所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
该测试系统还包括人机接口模块；
所述人机接口模块同所述控制器连接，用于提供实现测试系统的控制及参数设置的人机交互界面。
14.根据权利要求13所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
所述人机接口模块，通过键盘/按钮和液晶显示屏实现测试系统的控制及参数设置。
15.根据权利要求11、12、13或14所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
测试系统的测试结果，显示为表格或曲线形式的“当前电流i(t)——理想电感L(t)”。
16.根据权利要求9所述的功率电感动态等效电感值测试系统，其特征在于，
该测试系统还包括保护泄能模块；
所述保护泄能模块，其控制端接所述控制器的保护控制信号，用于并联在待测功率电感的两端，释放测试时存储在待测功率电感中的能量，同时限制关断电子开关时待测功率电感产生的高电压尖峰。
17.根据权利要求1所述的功率电感动态等效电感值测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
一.测试系统加电并初始化。
二.进行电感测试参数设置，连接待测功率电感；
所述电感测试参数，包括测试结果输出格式电感值测试特定电压；
三.测试待测功率电感的直流电阻R(id)；
四.能量初始化，即由控制器控制保护泄能模块工作，使得待测功率电感中的电流达到0；
五.控制器控制智能电源模块输出电感值测试特定电压；
六.控制器在控制打开电子开关的同时，控制电压采集模块及电流采集模块同步采集待测功率电感两端间电压uab和流过待测功率电感的电流i；
七.控制器计算输出待测功率电感对应于当前电流i(t)的理想电感L(t)；
八.控制器根据测试结果输出格式将“电流ir——理想电感L(ir)”测试结果输出到人机接口模块或计算机接口模块，用户通过人机接口模块或计算机接口模块，提取应用需要的数据。
18.根据权利要求17所述的功率电感动态等效电感值测试系统的测试方法，其特征在于，
所述测试结果输出格式设置格式为表格或图形。
19.根据权利要求17所述的功率电感动态等效电感值测试系统的测试方法，其特征在于，
步骤二中设置的电感测试参数，还包时间限值、电流限值；
步骤七同时判断电流变化率；如果电流变化率减小到0，或待测功率电感通流时间达到时间限值，或者流过待测功率电感的电流达到电流限值，控制器控制关断电子开关，并控制保护泄能模块释放待测功率电感中存储的能量。
20.根据权利要求17所述的功率电感动态等效电感值测试系统的测试方法，其特征在于，
步骤三中，控制器控制智能电源模块恒流输出电感值测试特定电压，直到流过待测功率电感的电流i达到稳定，记录待测功率电感两端电压uab和流过待测功率电感的电流i，计算得到R(id)，
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