JP7011730B2 - 負荷インピーダンステスターおよび測定方法 - Google Patents

Description

本開示は、概してインピーダンス試験に関し、より具体的には、負荷のインピーダンスを測定するための回路に関する。
（連邦政府による資金提供を受けた研究または開発に関する声明）
本発明は、ＮＡＳＡから付与の契約番号ＮＮＣ１６ＣＡ２１Ｃの下で政府の支援を受けて行われた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。

プラズマスラスタなどの特定の電気的負荷は、負荷の測定されたインピーダンスに少なくとも部分的に基づいて較正および制御される。プラズマスラスタの例では、既存のシステムは、電力増幅器から電気負荷に電流を注入し、負荷特性の変化を測定することにより、インピーダンスを決定しようとしてきた。プラズマスラスタ、および同様の特性を示すその他の負荷は、大きな電流変動を含む電流引き込みを生成しうる。大きな電流変動は呼吸モード電流（breathing mode currents）と呼ばれ、通常数ｋＨｚから数十ｋＨｚの割合で発生する。

直列注入変圧器（series injection transformer）を使用して電流注入を実行する場合、対応する電力増幅器は、その大きさが電力増幅器を過負荷にする可能性がある呼吸モード電流を処理する必要がある。また、いくつかの例では、注入変圧器自体の漏れインダクタンスにより、プラズマが安定した方法で動作するにはインピーダンスが大きすぎて、プラズマスラスタのインピーダンスの読み取りが不十分になる場合がある。

別の例では、並列注入変圧器を使用してインピーダンスを決定しようとし、電流摂動がコンデンサを通じて注入される。このような構成では、呼吸モードの電流は減少するが、対応する電源のインピーダンスが低いと、増幅器からの注入電流が吸収され、プラズマスラスタのインピーダンスを正確に測定できなくなる。

１つの例示的な実施形態では、インピーダンス測定回路は、信号インジェクタであって、電圧入力および電圧出力、制御可能なスイッチ、ならびに電圧入力と電圧入力との間で制御可能なスイッチと並列に接続された電圧降下デバイスを有し、かつ電圧出力が負荷に接続された、信号インジェクタと、負荷に亘る電圧を測定するように構成された電圧センサと、負荷の電流引き込みを測定するように構成された電流センサと、ある周波数における負荷のインピーダンスを測定するように構成されたコンピューティングデバイスと、を含んでおり、そのインピーダンスは、測定された電圧と測定された電流に基づいており、コンピューティングデバイスはその周波数に基づいてスイッチを制御する。

上記のインピーダンス測定回路の別の例では、電圧降下デバイスはダイオードを含む。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、信号インジェクタはさらに、電圧入力を電圧出力に接続する少なくとも１つの電圧降下デバイスと、少なくとも１つの電圧降下デバイスに並列に接続されたスイッチであって、そのスイッチが閉じている間、電圧降下デバイスが短絡されるスイッチと、をさらに含む。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、スイッチの制御入力に接続されたゲートドライバをさらに含む。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、少なくとも１つの電圧降下デバイスは、複数の電圧降下デバイスである。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、複数の電圧降下デバイスは、複数の直列接続されたダイオードを備える。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、複数の直列接続されたダイオードはほぼ同一である。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、複数の直列接続されたダイオードは、少なくとも２組の実質的に異なるダイオードを含む。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、少なくとも１つの電圧降下デバイスに亘る電圧降下は、電圧出力での予想電圧の最大で３％である。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、少なくとも１つの電圧降下デバイスに亘る電圧降下は、電圧出力での予想電圧の１％～３％の間である。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、負荷はプラズマスラスタである。

上記のインピーダンス測定回路のいずれかの別の例では、電圧入力は硬電圧源（stiff voltage source）に接続される。

負荷のインピーダンスを決定するための例示的な方法は、電圧源から負荷に電圧を提供し、ほぼ方形波の摂動を電圧に注入し、負荷の電流引き込み（current draw）と負荷に亘る電圧を測定して、その測定値をコンピューティングデバイスに提供し、コンピューティングデバイスを使用して負荷に亘る電圧と負荷の電流引き込みを分析しそれにより負荷のインピーダンスを決定する、ことを含む。

負荷のインピーダンスを決定するための上記の例示的な方法のいずれかの別の例では、負荷に亘る電圧と負荷の電流引き込みを分析することが、電圧の基本成分を電流引き込みの基本成分で割った比を求めることを備える。

負荷のインピーダンスを決定するための上記の例示的な方法のいずれかの別の例では、コンピューティングデバイスは、フーリエ変換を使用して、分析された電圧から電圧の基本成分を抽出する。

負荷のインピーダンスを決定するための上記の例示的な方法のいずれかの別の例では、コンピューティングデバイスは、フーリエ変換を使用して、分析された電流から電流の基本成分を抽出する。

負荷のインピーダンスを決定するための上記の例示的な方法のいずれかの別の例では、ほぼ方形波の摂動を電圧に注入することが、電圧降下デバイスを通して電圧を通過させることと、電圧降下デバイスをバイパスすることとを交互に繰り返すことを備え、交互に繰り返すこと（alternation）は、設定された周波数で行われる。

負荷のインピーダンスを決定するための上記の例示的な方法のいずれかの別の例では、電圧降下デバイスを通して電圧を通過させることが、複数の直列に接続されたダイオードを介して電圧を通過させることを備える。

負荷のインピーダンスを決定するための上記の例示的な方法のいずれかの別の例では、電圧降下デバイスを通して電圧を通過させることと、電圧降下デバイスをバイパスすることとを交互に繰り返すことが、スイッチを開状態と閉状態との間で交互に切り替えることを含み、スイッチは、閉状態の間に電圧降下デバイスの周りに短絡経路を完成させる。

本発明のこれらおよびその他の特徴は、以下の明細書および図面から最もよく理解することができ、以下はその簡単な説明である。

負荷および負荷インピーダンステスターを含む例示的な回路を示す図である。 図１の例で利用するための例示的な信号インジェクタを概略的に示す図である。 図２の信号インジェクタとして使用され得るような詳細な例の信号インジェクタを概略的に示す図である。 例示的なインピーダンス分析器を概略的に示す図である。

図１は、負荷１１０と、負荷１１０のインピーダンスを決定するための負荷インピーダンステスター１２０と、を含む回路１００を概略的に示す。インピーダンステスター１２０内には、電圧源１３０が含まれる。電圧源１３０は、動作電圧を負荷１１０に提供する。プラズマスラスタのような特定のタイプの負荷１１０に必要なように、電圧源１３０は硬電圧源（stiff voltage source）である。本明細書で使用するように、硬電圧源とは、その電圧源から引き出される電流に実質的な変動が存在するにもかかわらず、出力電圧が最小の電圧変動を有する電圧源を指す。

電圧源１３０と負荷１１０との間に接続されているのは、信号インジェクタ１２２である。信号インジェクタ１２２は、方形波に近い信号で、電圧源１３０によって提供される電圧を第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに周期的に切り替える。本明細書で使用される場合、ほぼ方形波とは、方形波に実質的な類似性を示す任意の信号を指す。いくつかの例では、そのような信号は、代替（alternative）の標準波形よりも方形波に非常によく似た周期信号である。電圧センサ１２４は、負荷１１０の両端に配置され、負荷１１０に亘る電圧を決定する。電流センサ１２６は、負荷１１０への入力における負荷１１０の電流引き込みを測定するように構成される。電流センサ１２６および電圧センサ１２４は両方とも、任意の従来の電流センサ構成および電圧センサ構成である。

センサ１２４，１２６のそれぞれは、感知した値を、ネットワークアナライザなどのコンピューティングデバイス１２８に提供する。図示の例では、コンピューティングデバイス１２８は、信号インジェクタ１２２に接続された制御出力１３２を含む。制御出力１３２は、信号インジェクタ１２２の高／低電圧状態を制御し、それにより、ほぼ方形波の信号インジェクションを生成する。代替例では、代替電圧源１４０を信号インジェクタ１２２に接続して、同じ機能を提供することができる。

複数の負荷タイプのインピーダンスは、電圧源１３０などの電圧源の出力電圧に周期的摂動を注入し、結果として生じる電流摂動を測定することによって測定することができる。既存のシステムは、通常、上記のように、電圧源１３０と負荷１１０との間に接続された二次巻線を備えた注入変圧器を利用する。プラズマスラスタなどの特定の種類の負荷では、注入変圧器を利用した摂動システムの信頼性が低下する。

動作中に、プラズマスラスタまたは同様の負荷１１０と併せて摂動を確実に生成するために、インピーダンステスター１２０は電圧源１３０から硬電圧（stiff voltage）を出力し、信号インジェクタ１２２は高電圧から低電圧に周期的に交番（alternate）し、それにより、負荷１１０を駆動する電圧信号にほぼ方形波の摂動を与える。一例では、ほぼ方形波の摂動は、電圧源１３０から出力される駆動電圧よりも少なくとも２桁小さいスケールを有する。例として、電圧源１３０から出力される駆動電圧が５００Ｖである場合、例示的な摂動の大きさは約５Ｖである。次いで、摂動電圧が負荷１１０に提供される。

コンピューティングデバイス１２８は、センサ１２４，１２６を使用して、負荷１１０の両端に亘る電圧および負荷１１０の電流引き込みを分析し、その感知した値に基づいて負荷１１０のインピーダンスを決定する。特定の動作周波数でのインピーダンスは、電圧の基本成分を電流の基本成分で割った比に等しい。この値は、通常、オーム（Ω）で、振幅と位相角として、または実数部と虚数部を含む複素量として表される。コンピューティングデバイス１２８は、フーリエ変換を使用して、センサ１２４，１２６によって検出された電圧信号および電流信号の波形を数学的に分析して、基本成分を抽出する。次に、基本的なコンポーネントを分割して、前述の比率を決定する。

信号インジェクタ１２２が実質的に方形の波形を有する摂動電圧を生成するため、感知された電圧および電流信号は、摂動周波数の整数倍である高調波周波数での高調波成分を含む。別の例では、コンピューティングデバイスは、高調波周波数での電圧成分と電流成分を除算することにより、基本周波数以外の周波数の測定電圧と電流のフーリエ変換成分を使用して、高調波周波数での負荷インピーダンスを決定し、その高調波周波数でのインピーダンスを得る。

いくつかのさらなる例では、センサ１２４，１２６からの電圧信号および電流信号は、結果の精度を高めるために分析される前に、特性が一致する２チャネルローパスフィルタを使用してフィルタリングすることができる。そのようなフィルタリングは、センサ１２４，１２６によって生成された電圧および電流波形がかなりの量の電子ノイズを含み、かつコンピューティングデバイス１２８の入力フィルタを介して達成できる場合に、特に望ましい。

引き続き図１に関連して、図２は、第１の例による例示的な信号インジェクタ１２２を概略的に示す。信号インジェクタ１２２は、硬電圧源１３０に接続されるように構成された入力ノード２１０を含む。出力ノード２２０は、負荷１１０に接続されるように構成される。入力ノード２１０と出力ノード２２０との間に直列に接続されているのは、電圧降下デバイス２３０である。電圧降下デバイス２３０は、硬電圧源１３０の出力電圧と比較して、比較的小さな電圧降下を生成する任意の電気デバイスである。例として、比較的小さい電圧降下は、いくつかの例では、出力電圧の最大で３％である。他の例では、比較的小さな電圧降下は、出力電圧の１％～３％の間である。いくつかの例では、電圧降下デバイス２３０は、その電圧降下デバイス２３０を通過する電流とは無関係に、比較的一定の電圧低下を提供するデバイスである。

電圧降下デバイス２３０と並列に電気スイッチ２４０がある。電気スイッチ２４０は、少なくとも開状態および閉状態で動作するように構成される。開状態の間、電気スイッチ２４０を含む並列回路経路２４２が遮断され、電圧源１３０からの電圧が電圧降下デバイス２３０を通過し、その結果、出力ノード２２０における電圧が低下する。電気スイッチ２４０が閉状態にあるとき、並列回路経路２４２は電気を伝導し、電圧降下デバイス２３０は短絡される。

電気スイッチ２４０は、コンピューティングデバイス１２８に接続された制御入力２４４を含み、制御入力２４４における電圧は、電気スイッチ２４０の開閉状態を決定する。既知の周波数で開状態と閉状態の間で電気スイッチ２４０を循環させることにより、出力ノード２２０での電圧は、電圧源１３０からの駆動電圧に加えられたほぼ方形波の摂動で生成される。ほぼ方形波の周波数はコンピューティングデバイス１２８の出力信号によって直接制御されるので、コンピューティングデバイス１２８は、その周波数での接続された負荷１１０のインピーダンスを、感知した電圧および電流に基づいて決定する。

さらに図２に関連して、１つの特定の例示的な信号インジェクタ１２２が、図３の例に示されている。特定の例では、電圧降下デバイス２３０は、直列に接続された一連のダイオード２３２である。各ダイオード２３２は、負荷電流が流れると、ダイオード２３２の両端に亘って比較的一定の電圧降下を生成する。ダイオード２３２を直列に配置することにより、小さな制御された電圧降下が電圧降下デバイス２３０に亘って導入される。さらに、各ダイオード２３２に亘る電圧降下は、その両端の電圧がそこを流れる電流に比例する抵抗器と比較して、ダイオード２３２を通過する電流から比較的独立している。このため、いくつかの実施形態では、ダイオード２３２および類似の電子機器が、電圧降下デバイス２３０に特に適している。

別の例では、抵抗器を使用して、電圧降下デバイス２３０を実装することができる。そのような例では、負荷電流のさまざまなレベルに対応するために抵抗を調整する必要があり、負荷の安定性を確保するために抵抗の値を適切に小さく保つ必要がある。

図３に示された実施形態では、各ダイオード２３２はほぼ同一である。本明細書で使用されるように、ほぼ同一とは、同じ仕様を有するダイオード２３２を指し、製造のばらつきに起因するいくつかの小さな差異を許容することができる。代替例では、ダイオード２３２は、電圧降下デバイス２３０に亘って特定の所望の電圧降下を生成するように変化させることができる。ＭＯＳＦＥＴ２４６は、制御入力２４４に接続され、コンピューティングデバイス１２８によって制御され、スイッチ２４０として動作する。

図１～３に引き続き関連して、図４は、図１に示されるコンピューティングデバイス１２８などの例示的なコンピューティングデバイス３００を概略的に示す。例示的なコンピューティングデバイス３００は、感知された電圧および電流をそれぞれ電圧センサ１２４および電流センサ１２６から受け取るように構成された入力３０２を含む。入力３０２のそれぞれは、フィルタ３１０に接続される。一例では、フィルタ３１０は、特性が一致する一対の２チャネルローパスフィルタを含む。フィルタリングされたセンサ信号は、プロセッサ３２０およびメモリ３２２に提供される。メモリ３２２は、任意の既知の信号分析技術に従ってプロセッサ３２０にセンサ信号を分析させ、それにより、入力３０２からの信号に基づいて接続された負荷のインピーダンスを決定させるための命令を格納する。

また、コンピューティングデバイス３００に接続されているのは、ゲートドライバ回路３３０である。図示の例では、ゲートドライバ回路３３０は、コンピューティングデバイス３００の外部にあり、コンピューティングデバイス３００と電圧降下デバイス１２２との間に電圧分離を提供する。ゲートドライバ回路３３０は、プロセッサ３２０に接続され、ゲート制御信号３３２を出力する。ゲート制御信号３３２の値は、プロセッサ３２０によって制御され、図２および３に示されるスイッチ２４０のオン／オフ状態を制御する。図３の例では、ゲート制御信号３２２はコンピューティングデバイス３００によって生成されるので、プロセッサ３２０は、本質的に方形波注入の周波数を知っている。方形波注入が代替電圧源１４０などの別の源から発生する代替例では、追加の入力をプロセッサ３２０に提供することができ、それにより分析が容易となる。

プラズマスラスタのインピーダンスを決定する文脈内で上記のように説明および図示したが、上記の方法および装置は、任意のタイプの負荷のインピーダンスを検出するために利用することができ、プラズマスラスタ負荷、またはプラズマスラスタを含む負荷に限定されないことを理解されたい。

さらに、当然ながら上記の概念のいずれかを単独で、または上記のその他の概念のいずれかまたは全てと組み合わせて使用することができる。本発明の実施形態を開示したが、当業者は、特定の変更が本発明の範囲内にあることを認識するであろう。そのため、本発明の真の範囲および内容を決定するために、以下の特許請求の範囲を検討する必要がある。

Claims (14)

1. 信号インジェクタであって、電圧入力および電圧出力、制御可能なスイッチ、ならびに前記電圧入力と前記電圧出力との間で前記制御可能なスイッチと並列に接続された電圧降下デバイスを有し、前記電圧出力が負荷に接続された、信号インジェクタと、
   前記負荷に亘る電圧を測定するように構成された電圧センサと、
   前記負荷の電流引き込みを測定するように構成された電流センサと、
   ある周波数における前記負荷のインピーダンスを測定するように構成されたコンピューティングデバイスと、
   を備え、
   前記インピーダンスは、測定された電圧と測定された電流に基づいており、前記コンピューティングデバイスは、前記周波数に基づいて前記スイッチを制御し、
   前記電圧降下デバイスが、複数の直列接続されたダイオードを備えた、インピーダンス測定回路。
2. 前記制御可能なスイッチが閉じている間、前記電圧降下デバイスを短絡させることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定回路。
3. 前記スイッチの制御入力に接続されたゲートドライバをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のインピーダンス測定回路。
4. 前記複数の直列接続されたダイオードが、同一であることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定回路。
5. 前記複数の直列接続されたダイオードが、少なくとも２組の実質的に異なるダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定回路。
6. 前記電圧降下デバイスに亘る電圧降下は、電圧出力での予想電圧の最大で３％であることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定回路。
7. 前記電圧降下デバイスに亘る電圧降下は、電圧出力での予想電圧の１％～３％の間であることを特徴とする請求項６に記載のインピーダンス測定回路。
8. 前記負荷がプラズマスラスタであることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定回路。
9. 前記電圧入力が、硬電圧源に接続されることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定回路。
10. 電圧源から負荷に電圧を提供し、
    方形波の摂動を前記電圧に注入し、
    前記負荷の電流引き込みと前記負荷に亘る電圧とを測定して、その測定値をコンピューティングデバイスに提供し、
    前記コンピューティングデバイスを使用して前記負荷に亘る電圧と前記負荷の電流引き込みとを分析し、それにより前記負荷のインピーダンスを決定する、
    ことを備え、
    前記方形波の摂動を前記電圧に注入することが、電圧降下デバイスを通して前記電圧を通過させることと、前記電圧降下デバイスをバイパスさせることとを交互に繰り返すことを備え、前記交互に繰り返すことは、設定された周波数で行われ、
    前記電圧降下デバイスを通して前記電圧を通過させることが、複数の直列に接続されたダイオードを通して前記電圧を通過させることを備えた、負荷のインピーダンスを決定する方法。
11. 前記負荷に亘る電圧と前記負荷の電流引き込みとを分析することが、前記電圧の基本成分を前記電流引き込みの基本成分で割った比を求めることを備えた、請求項１０に記載の方法。
12. 前記コンピューティングデバイスは、フーリエ変換を使用して、前記分析された電圧から前記電圧の基本成分を抽出することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記コンピューティングデバイスは、フーリエ変換を使用して、前記分析された電流引き込みから前記電流の基本成分を抽出することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記電圧降下デバイスを通して前記電圧を通過させることと、前記電圧降下デバイスをバイパスさせることとを交互に繰り返すことが、スイッチを開状態と閉状態との間で交互に切り替えることを備え、前記スイッチは、前記閉状態の間に前記電圧降下デバイスの周りに短絡経路を完成させることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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