TW201930896A - 電感量測裝置與電感量測方法 - Google Patents

Abstract

一種電感量測裝置，用以量測一待測電感電性連接於一第一測試節點與一第二測試節點之間。電感量測裝置包括一參考電感單元、一直流電源、一第一電容、一第二電容與一電感儀表。參考電感單元具有一第一端、一第二端以及一參考電感值。直流電源的兩端分別電性連接參考電感單元的第一端與第一測試節點。第一電容的兩端分別電性連接參考電感單元的第一端與第一測試節點。第二電容的一端電性連接第二測試節點。電感儀表的一第一端與一第二端分別電性連接第一測試節點與第二電容的另一端。

Description

電感量測裝置與電感量測方法

本發明係關於一種電感量測裝置與電感量測方法，特別是關於一種量測電感在直流電流下之飽和特性的電感量測裝置與電感量測方法。

在變壓器與電感器這類利用鐵芯及磁場運作的電感性元件中，當足夠大的電流通過時，它們磁芯的磁場也會達到飽和，此時電感性元件的電性特性是為非線性的，這是在線性電路中所不希望出現的現象。舉例來說，當施加交流電信號的時候，這種非線性現象會造成一次諧波和互調失真。因此，於實務上會藉由實驗量測以取得電感元件的磁飽和特性，以供電路設計考量。

於測量電感在流經直流電流下的磁飽和特性時，以往採用的方式是將待測電感串聯於兩個感值極大的電感之間，以隔離待測電感與電源供應器，從而降低電源供應器對三用電錶的影響，以使三用電錶不受電源供應器的影響而量測出準確的電感值。但是，在實際的情況中，隨著直流電流上升，兩個串聯的大電感也會隨著飽和，導致測量值出現不準確的情況。

本發明在於提供一種電感量測裝置與電感量測方法，以克服以往測試架構在直流電流上升的情況下無法準確測量電感值的問題。

本發明揭露了一種電感量測裝置，用以量測一待測電感電性連接於一第一測試節點與一第二測試節點之間。該電感量測裝置包括一參考電感單元、一直流電源、一第一電容、一第二電容與一電感儀表。參考電感單元具有一第一端、一第二端以及一參考電感值。直流電源的一端電性連接參考電感單元的第一端，直流電源的另一端電性連接第一測試節點。第一電容的一端電性連接參考電感單元的第一端，第一電容的另一端電性連接第一測試節點。第二電容的一端電性連接第二測試節點。電感儀表具有一第一端電性連接第一測試節點。電感儀表具有一第二端電性連接第二電容的另一端。其中，電感儀表量測第一測試節點與第二測試節點之間的電感值。

本發明揭露了一種電感量測方法，包括提供一第一測試節點與一第二測試節點，用以電性連接一待測電感；將一第一電容的一端電性連接該參考電感單元的第一端，該第一電容的另一端電性連接該第一測試節點；將該參考電感單元的第二端電性連接該第二測試節點；將一直流電源並聯連接該第一電容以提供一直流電流；將一第二電容電性連接於一電感儀表以隔離該直流電流；以及提供一交流訊號，並以該電感儀表依據該交流訊號量測該第一測試節點與該第二測試節點之間的電感值。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照圖1，圖1係為根據本發明一實施例所繪示之電感量測裝置的功能方塊圖。電感量測裝置1用以量測一待測電感DUT的電感值。電感量測裝置1具有一直流電源12、一參考電感單元14、一第一電容C1、一第二電容C2與一電感儀表16。直流電源12兩端分別電性連接參考電感單元的第一端與第一測試節點NT1。此參考電感單元14的兩端分別電性連接所述的參考電感單元的第一端與一第二測試節點NT2。第一電容C1的兩端分別電性連接第一測試節點NT1與參考電感單元的第一端。第二電容C2的一端電性連接所述的第二測試節點NT2。電感儀表16的一端電性連接所述的第一測試節點NT1。電感儀表16的另一端電性連接第二電容C2的另一端。於此實施例中，電感量測裝置1用以經由第一測試節點NT1與第二測試節點NT2分別電性連接待測電感DUT的兩端。

參考電感單元14具有一等效參考電感值。需說明的是，在此及後續所提到的電感值係為電感在某個直流電流下的電感值。而藉由調整直流電源12的輸出電流，電感量測裝置1可用以量測待測電感DUT在所欲的直流電流下的電感值。在一實施例中，參考電感單元14即為單一個電感。在另一類的實施例中，參考電感單元14係由多個電感連接而成。在又另一類的實施例中，參考電感單元14具有多個電感且具有至少一電感以外的電子元件。相關細節請容後續詳述，在圖1所示的實施例中係先以參考電感單元14為單一個電感的情況進行說明。

請一併參照圖2，圖2係為根據本發明一實施例所繪示之電感量測方法的步驟流程圖。此電感量測方法係適用於如圖1所示的電感量測裝置1，且此電感量測方法包括以下步驟。

在步驟S101中，提供一參考電感單元，該參考電感單元具有一參考電感值。在步驟S103中，提供一第一測試節點與一第二測試節點，用以電性連接一待測電感。在步驟S105中，將一第一電容的一端電性連接該參考電感單元的第一端，該第一電容的另一端電性連接該第一測試節點。在步驟S107中，將該參考電感單元的第二端電性連接該第二測試節點。在步驟S109中，將一直流電源並聯連接該第一電容以提供一直流電流。在步驟S111中，將一第二電容電性連接於一電感儀表以隔離該直流電流。在步驟S113中，提供一交流訊號，並以該電感儀表依據該交流訊號量測該第一測試節點與該第二測試節點之間的電感值。

請一併參照圖3A與圖3B，圖3A係為根據本發明一實施例所繪示之電感量測裝置的第一電流路徑示意圖，圖3B係為根據本發明一實施例所繪示之電感量測裝置的第二電流路徑示意圖。

如前述地，所述的待測電感的兩端係分別電性連接至所述的第一測試節點NT1與所述的第二測試節點。而如步驟S105至步驟S111與圖3A所示，由於第一電容C1與第二電容C2的直流特性，電源12所提供的直流電流係沿電流路徑P1傳輸。另如步驟S105至步驟S111與圖3B所示，由於第一電容C1與第二電容C2的交流特性，電感儀表16所提供的交流訊號係沿電流路徑P2傳輸。需說明的是，電流路徑P2包括了如圖3B中經過參考電感單元14與待測電感DUT的分支路徑，而不為單一迴路。

電感儀表16係依據所述的交流訊號取得一並聯電感值。此並聯電感值係為待測電感DUT與參考電感單元14並聯所形成的等效電感值。需說明的是，在此實施例中，電感儀表16係以雙端子量測法取得電感值，在實務上，電感儀表16亦可採用三端子量測法、四端子量測法或是六端子量測法，所屬技術領域具有通常知識者經詳閱本說明書後當可依照實際所需微調本發明所提供的電感量測裝置之電路架構，以使電感量測裝置符合三端子量測法、四端子量測法或是六端子量測法的架構，相關細節於此不再贅述。

如前述地，由於並聯電感值為待測電感DUT與參考電感單元14並聯所形成的等效電感值，在某個直流電流下的並聯電感值可表達如下式：

其中，L_P 為並聯電感值，L_DUT 為待測電感DUT的電感值，L_ref 為所述的等效參考電感值。基於上式，待測電感DUT的電感值L_DUT 可以由量測得的並聯電感值L_P 與已知的等效參考電感值L_ref 反推而得。換句話說，當所述的預設參考電感值相同於等效參考電感值時，即可依據上式取得待測電感DUT的電感值。於實務上，參考電感單元14可以是一個經過驗證的標準元件，因此參考電感單元14的等效參考電感值可視為已知。或者，在另一種情況中，參考電感單元14可以是一個使用者自定義的電路，參考電感單元14的等效參考電感值v係經由量測而得。相關細節請容於後續實施例中說明。

在一實施例中，當電感儀表16取得並聯電感值時，電感儀表16將並聯電感值提供給外部的電子裝置，並由外部的電子裝置依據預設參考電感值與所述的並聯電感值取得所述的待測電感的電感值。在另一實施例中，電感儀表16更具有處理單元（未繪示於圖1）。當電感儀表16取得並聯電感值時，處理單元依據預設參考電感值與所述的並聯電感值取得所述的待測電感的電感值。

在一類的實施例中，參考電感模組中可具有多個電感單元以便於實際操作。請參照圖4以對此進行說明，圖4係為根據本發明另一實施例所繪示之電感量測方法的步驟流程圖。於步驟S401中，提供一第一電感以及一第二電感；於步驟S403中，將第一電容的一端電性連接第一電感的一端，第一電容的另一端電性連接第二電感的一端；於步驟S405中，將第一電感的另一端電性連接第二電感的另一端；於步驟S407中，以電感儀表依據交流訊號量測參考電感單元，以取得參考電感值。以下係舉不同的實作方式以對此做更進一步說明。

請接著參照圖5，圖5係為根據本發明更一實施例所繪示之電感量測裝置的功能方塊圖。圖5所示之實施例中的電感量測裝置3的架構大致上相同於前述的電感量測裝置1。惟在此實施例中，電感量測裝置3更具有第三電容C3，且電感量測裝置3具有處理單元38，用以依據預設參考電感值與所述的並聯電感值取得所述的待測電感的電感值。第三電容C3的兩端分別電性連接第一測試節點NT1與電感儀表36。換句話說，電感儀表36係經由第三電容C3電性連接第一測試節點NT1。其中，第三電容C3的電容值相等於第二電容C2的電容值。從另一個角度來說，在此結構下，電感儀表36的兩端阻抗值相互匹配，可以取得較為精確的並聯電感值，並不需要對並聯電感值另作補償校正。在此實施例中，參考電感單元34具有第一電感L1與第二電感L2。第一電感L1與第二電感L2係並聯於參考電感單元的第一端與第二端之間。

請再參照圖6，圖6係為根據本發明又另一實施例所繪示之電感量測裝置的功能方塊圖。在圖6所示的實施例中，電感量測裝置4更包括開關元件SW。開關元件SW具有第一端E1、第二端E2與第三端E3。第一端E1電性連接參考電感單元的第一端。第二端E2電性連接第一測試節點NT1。第三端E3電性連接第二電感L2。開關元件SW用以選擇性地將第三端E3導通至第一端E1或是將第三端E3導通至第二端E2。於實務上，開關元件SW可以是一個手動開關；或者，電感量測裝置4可以具有相關的控制電路，以依據預設的控制腳本來控制開關元件SW各個端點之間的導通與否。

請一併參照圖7、圖8A與圖8B，圖7係為根據本發明另一實施例所繪示之電感量測方法的量測程序的步驟流程圖，圖8A係為根據本發明另一實施例所繪示之電感量測裝置的第一電流路徑示意圖，圖8B係為根據本發明另一實施例所繪示之電感量測裝置的第二電流路徑示意圖。此電感量測方法適用於如圖6所示之電感量測裝置4。於電感量測方法係先將開關元件的第一端E1導通至第三端E3，以進行一量測程序。如圖7所示，此量測程序包括以下步驟。於步驟S201中，將所述的待測電感的兩端分別電性連接至所述的第一測試節點與所述的第二測試節點。於步驟S203中，以所述的直流電源提供一直流電流於所述的參考電感單元、所述的待測電感與所述的直流電源所形成的一第一電流路徑。此第一電流路徑係如圖8A所示。於步驟S205中，經由所述的第一測試節點與所述的第二測試節點提供一交流訊號至所述的第一電容、所述的參考電感單元、所述的待測電感與所述的第二電容所形成的一第二電流路徑。此第二電流路徑係如圖8B所示。於步驟S207中，依據所述的交流訊號取得一並聯電感值；於步驟S209中，依據一量測參考電感值與所述的並聯電感值取得所述的待測電感的電感值。其中，量測參考電感值理想上係相等於等效參考電感值。步驟S201至步驟S209的相關細節係大致上相仿於前述的步驟S101至步驟S109，於此不再贅述。

延續圖7之實施例的相關敘述，請再參照圖9、圖10A與圖10B，圖10A係為根據本發明又再一實施例所繪示之電感量測裝置的第三電流路徑示意圖，圖10B係為根據本發明又再一實施例所繪示之電感量測裝置的第四電流路徑示意圖。如圖9所示，此電感量測方法中，更包括將所述的開關元件的所述的第三端E3導通至所述的第二端E2以進行一校正程序。需注意的是，在校正程序中，電感量測裝置4並未經由第一測試節點NT1與第二測試節點NT2電性連接待測電感DUT。從另一個角度來說，第一測試節點NT1與第二測試節點NT2之間並未電性連接有待測電感DUT。

所述的校正程序包括以下步驟。於步驟S301中，以所述的直流電源提供所述的直流電流於所述的參考電感單元與所述的直流電源所形成的一第三電流路徑。第三電流路徑係如圖10A所示。於步驟S303中，經由所述的第一測試節點與所述的第二測試節點提供一交流訊號至所述的第一電容、所述的參考電感單元與所述的第二電容所形成的一第四電流路徑。第四電流路徑係如圖10B所示。於步驟S305中，依據所述的交流訊號取得所述的量測參考電感值。其中，量測參考電感值為第一電感L1與第二電感L2的並聯電感值。理想上，此量測參考電感值即為參考電感單元44的等效參考電感值。步驟S301至步驟S305的相關細節係相仿於前述的步驟S103至步驟S107與步驟S203至步驟S207，於此不再重複贅述。

藉由上述步驟，電感量測裝置4在校正程序中可以即時地量測到當下的等效參考電感值。因此，即使第一電感L1的電感值與第二電感L2的電感值因為實際的物理條件而飄移，而使得等效參考電感值飄移，電感量測裝置4仍可藉由校正程序取得量測參考電感值以校正前述的等效參考電感值，進而取得準確的待測電感DUT的電感值。

請再參照圖11，圖11係為根據本發明再一實施例所繪示之電感量測裝置的功能方塊圖。在圖11所示的實施例中，電感量測裝置5的參考電感單元54更具有第一電流偵測器542與第二電流偵測器544。第一電流偵測器542串聯於第一電感L1與第二測試節點NT2之間。第一電流偵測器542用以依據流經第一電感L1的電流產生一第一偵測值。第二電流偵測器544串聯於第二電感L2與第二測試節點NT2之間。第二電流偵測器544用以依據流經第二電感L2的電流產生一第二偵測值。藉由第一偵測值與第二偵測值，流經第一電感L1的電流與流經第二電感L2的電流得以被即時地監控。從另一個角度來說，當進行校正程序時，當第一偵測值與第二偵測值偏離預期太多時，直流電源所提供的直流電流也可以適時地被調整，甚或第一電感L1或第二電感L2也可以被更換，以確保量測品質。

綜合以上所述，本發明所提供的電感量測裝置藉由並聯參考電感單元與待測電感，避免了以往的隔離電感在大直流電流會因為直流飽和效應而影響電感量測結果的問題。另一方面，本發明所提供的電感量測裝置更藉由第一電容或第二電容以隔離直流電流路徑與交流電流路徑。如此一來，量測模組的量測值將不受到直流電源的影響。即使直流直流電源上升，仍可以準確的量測出待測電感的特性。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1~5‧‧‧電感量測裝置

12~52‧‧‧直流電源

14~54‧‧‧參考電感單元

16~56‧‧‧量測模組

162~562‧‧‧電感儀表

28~58‧‧‧處理單元

542‧‧‧第一電流偵測器

544‧‧‧第二電流偵測器

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

C3‧‧‧第三電容

DUT‧‧‧待測電感

E1‧‧‧第一端

E2‧‧‧第二端

E3‧‧‧第三端

L1‧‧‧第一電感

L2‧‧‧第二電感

NT1‧‧‧第一測試節點

NT2‧‧‧第二測試節點

P1、P2、P3、P4、P5、P6‧‧‧電流路徑

SW‧‧‧開關元件

圖1係為根據本發明一實施例所繪示之電感量測裝置的功能方塊圖。 圖2係為根據本發明一實施例所繪示之電感量測方法的步驟流程圖。 圖3A係為根據本發明一實施例所繪示之電感量測裝置的第一電流路徑示意圖。 圖3B係為根據本發明一實施例所繪示之電感量測裝置的第二電流路徑示意圖。 圖4係為根據本發明另一實施例所繪示之電感量測方法的步驟流程圖。 圖5係為根據本發明更一實施例所繪示之電感量測裝置的功能方塊圖。 圖6係為根據本發明又另一實施例所繪示之電感量測裝置的功能方塊圖。 圖7係為根據本發明另一實施例所繪示之電感量測方法的量測程序的步驟流程圖。 圖8A係為根據本發明另一實施例所繪示之電感量測裝置的第一電流路徑示意圖。 圖8B係為根據本發明另一實施例所繪示之電感量測裝置的第二電流路徑示意圖。 圖9係為根據本發明另一實施例所繪示之電感量測方法的校正程序的步驟流程圖。 圖10A係為根據本發明又再一實施例所繪示之電感量測裝置的第三電流路徑示意圖。 圖10B係為根據本發明又再一實施例所繪示之電感量測裝置的第四電流路徑示意圖。 圖11係為根據本發明再一實施例所繪示之電感量測裝置的功能方塊圖。

Claims (10)

1. 一種電感量測裝置，用以量測一待測電感電性連接於一第一測試節點與一第二測試節點之間，該電感量測裝置包括：一參考電感單元 ，具有一第一端、一第二端以及一參考電感值；一直流電源，該直流電源的一端電性連接該參考電感單元的第一端，該直流電源的另一端電性連接該第一測試節點；一第一電容 ，該第一電容的一端電性連接該參考電感單元的第一端，該第一電容的另一端電性連接該第一測試節點；一第二電容 ，該第二電容的一端電性連接該第二測試節點；以及一電感儀表，具有一第一端電性連接該第一測試節點，以及一第二端電性連接該第二電容的另一端；其中，該電感儀表量測該第一測試節點與該第二測試節點之間的電感值。
2. 如請求項1所述的電感量測裝置，其中該參考電感單元包括：一第一電感，兩端分別連接該參考電感單元的第一端與該第二端；以及一第二電感，兩端分別連接該參考電感單元的第一端與該第二端。
3. 如請求項2所述的電感量測裝置，更包括：一開關元件，具有一第一端、一第二端與一第三端，該第一端電性連接該第一電感的一端，該第二端電性連接該第一測試節點，該第三端電性連接該第二電感的一端，該開關元件可控制導通該第三端與該第一端或導通該第三端與該第二端。
4. 如請求項2所述的電感量測裝置，更包括：一第一電流偵測器，串聯連接於該第一電感的另一端與該第二測試節點之間；以及一第二電流偵測器，串聯連接於該第二電感的另一端與該第二測試節點之間。
5. 如請求項3所述的電感量測裝置，其中該開關元件導通該第三端與該第二端時，該電感儀表量測該參考電感單元，以取得該參考電感值。
6. 如請求項1所述的電感量測裝置，更包括：一第三電容，該第三電容的一端電性連接該第一測試節點，該第三電容的另一端電性連接該電感儀表的第一端；其中，該第三電容的電容值相等於該第二電容的電容值。
7. 如請求項1所述的電感量測裝置，更包括：一處理單元，電性連接該電感儀表，用以依據該參考電感值，以及該第一測試節點與該第二測試節點之間的電感值，計算該待測電感的電感值。
8. 一種量測電感值的方法，包括：提供一參考電感單元，該參考電感單元具有一參考電感值；提供一第一測試節點與一第二測試節點，用以電性連接一待測電感；將一第一電容的一端電性連接該參考電感單元的第一端，該第一電容的另一端電性連接該第一測試節點；將一直流電源並聯連接該第一電容以提供一直流電流； 將一第二電容電性連接於一電感儀表以隔離該直流電流；以及提供一交流訊號，並以該電感儀表依據該交流訊號量測該第一測試節點與該第二測試節點之間的電感值。
9. 如請求項8所述的方法，其中提供該參考電感單元包括：提供一第一電感以及一第二電感；將該第一電容的一端電性連接該第一電感的一端，該第一電容的另一端電性連接該第二電感的一端；將該第一電感的另一端電性連接該第二電感的另一端；以及以該電感儀表依據該交流訊號量測該參考電感單元，以取得該參考電感值。
10. 如請求項8所述的方法，更包括：依據該參考電感值，以及該第一測試節點與該第二測試節點之間的電感值，計算該待測電感的電感值。