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HIOKI Power Analyzer mit Phase Shift Correction: Ausgabe 11-12/2020, 16.07.2020

Der Schlüssel bei der Vermessung von Leistungselektronik auf GaN- oder SiC-Basis

Das Verbessern der Leistungseffi zienz von elektrischen Antriebssystemen oder DC-DC-Schaltnetzteilen führt zu einer kontinuierlichen Erhöhung der Schaltfrequenzen in den Invertern. Gleichzeitig führt das induktive Verhalten der Stromsensorik immer zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bei der Vermessung von hochfrequenter AC-Leistung. Das Vernachlässigen dieser Tatsache kann einen sichtbaren Effekt auf die Messergebnisse haben.

Autor: Silvan Christ, Geschäftsführer der Linktronix AG

Bilder: HIOKI

Die gute Nachricht ist, dass man das Thema Phasenverschiebung weitgehend vernachlässigen kann, wenn sich die Frequenzen bei Schaltelementen unter 10kHz bewegen. Die schlechte Nachricht ist, dass bei der Leistungsanalyse neben der Grundfrequenz auch die Harmonischen berücksichtigt werden müssen, denn hochfrequente Schaltelemente erzeugen Harmonische höherer Ordnung. Es reicht also nicht aus, nur die Grundfrequenz zu betrachten.

Wirkung der Phasenverschiebung
Als Beispiel sei eine Schalteinheit auf Basis eines SiC-MOSFETs mit einer Schaltfrequenz von 20kHz genommen. Natürlich gibt es Anwendungen auf SiC-Basis, bei denen mit weit höheren Schaltfrequenzen gearbeitet wird – aber Ziel der Übung ist der Beleg, dass die Phasenverschiebung selbst bei Schaltfrequenzen von 20kHz Auswirkungen auf das Messergebnis hat.

Nicht dramatisch, aber relevant
In aktuellen Leistungsanalysatoren werden regelmässig bis zu 100 Harmonische bei Messungen einbezogen. Selbstverständlich ist der Einfl uss beispielsweise der 99. Harmonischen auf das Messergebnis nicht dramatisch – aber es wird dadurch Leistung im MHz-Bereich vermessen, bei denen das Thema Phasenverschiebung durchaus relevant ist.

Eine Frage der Genauigkeit
Bei der hochgenauen Vermessung von Leistungsanwendungen wird üblicherweise mit Stromsensorik zur Erfassung der Ströme gearbeitet. Ein Grund liegt darin, dass ShuntEingänge – über die manche Analysatoren verfügen – bei hohen Strömen und höheren Frequenzen nicht die notwendige Genauigkeit liefern und für hohe Ströme oft auch nicht dimensioniert sind.

Phasenfehler mit steigender Frequenz
Allerdings produziert jeder Stromsensor prinzipbedingt und herstellerunabhängig mit steigender Frequenz einen wachsenden Phasenfehler, was auf die induktive Charakteristik des magnetischen Kerns und dessen Verschaltung zurückzuführen ist. Zusätzlich sorgen die unterschiedlichen Designs der verschiedenen Sensoren dafür, dass dieser Fehler bei jedem Sensormodell unterschiedlich hoch ausfällt.

Einzigartige Funktion
HIOKI ist der einzige Anbieter von Lösungen für die Leistungsanalyse, der eine echte Kor rekturmöglichkeit des Phasenfehlers als Funktion anbietet. Möglich wird dies, da nur HIOKI sowohl die Leistungsanalysatoren als auch die passende Sensorik selbst entwickelt und herstellt. Die Analysatoren erkennen deshalb die Sensorik und beziehen deren bekannte Charakteristik in die Messungen mit ein.

Messung in hohen Frequenzbereichen begünstigt
Sowohl der HIOKI Leisungsanalysator PW6001 als auch der PW3390 können die sensortypischen Phasenfehler berücksichtigen und bei der Messung korrigieren. Die Genauigkeit der Messung in hohen Frequenzbereichen wird auf diese Weise entsprechend erhöht.

Vergleichsmessung mit und ohne Korrekturfunktion
Zur Verdeutlichung des Effekts soll folgende Vergleichsmessung beitragen, bei der die gleiche Messung jeweils mit und ohne der Korrekturfunktion des Phasenfehlers durchgeführt wurde. Grundlage der Messung ist ein weit verbreiteter Inverter-Aufbau mit einer DC-Phase am Eingang und drei AC-Phasen am Ausgang. Der Inverter basiert dabei auf dem erwähnten SiC-MOSFET-Schaltelement mit einer Grundfrequenz von 20kHz.

Klar ersichtliche Unterschiede
Betrachtet man die gemessene Inverter-Effi zienz und die Verlustleistung am Inverter in Abbildung 3, so erkennt man rasch den positiven Einfl uss der Phasenkorrektur-Funktion auf die Messergebnisse: Die gemessene Verlustleistung ist kleiner und die gemessene Effi zienz des Inverters ist grösser.
Selbst bei diesen niedrigen Frequenzen erhöht sich also die gemessene Ausgangsleistung des Inverters um einen Wert zwischen 0.1 Prozent und 0.15 Prozent. Das klingt auf den ersten Blick nicht dramatisch – aber jeder Ingenieur, der sich mit der Optimierung von Invertern befasst, weiss, dass dies ein signifi kanter Unterschied ist. Man kann sich leicht vorstellen, wie gross die Unterschiede sind, wenn Inverter mit höheren Schaltfrequenzen vermessen werden. «

Infoservice
Linktronix AG
Zürcherstrasse 66, 8800 Thalwil
Tel. 044 722 70 00
info@linktronix.ch, www.linktronix.ch

 



HIOKI PW6001 Leistungsanalysator


Phasenfehler mit und ohne Korrektur


Abbildung 3: Vergleich von Invertereffizienz und Verlustleistung.

Partnerschaft

HIOKI, einer der führenden Hersteller von elektronischer Test- und Messtechnologie, sowie die Linktronix AG haben offi ziell ihre Partnerschaft besiegelt. Vom Zusammenschluss erwarten beide Partner eine positive Entwicklung für den Schweizer Markt, den Linktronix als technischer Vertriebspartner für HIOKI Produkte betreuen wird. «Linktronix ist als Spezialist für elektronische Messtechnik der richtige Partner für HIOKI», sagt der Geschäftsführer der HIOKI Europe GmbH, Hisashi Shimizu. «Die Schweiz ist ein Markt mit Fokus auf High-End-Technologien, zu der HIOKI Qualität und Präzision ‹Made in Japan› hervorragend passen und ihre Kompetenz macht Linktronix zu einer wichtigen Schnittstelle, um HIOKI Kunden optimale Messtechniklösungen anbieten zu können.» «Linktronix hat sich in der Schweiz als Ansprechpartner für High-End-Test- und Messgeräte etabliert. Wir sehen den Schlüssel zum Erfolg in der Kombination aus Kompetenz in Beratung und Kundenservice, aber auch in der Begeisterung, passende Lösungskonzepte für unsere Kunden zu fi nden. Die Realisierung von Lösungen mit einem Partner wie HIOKI, der Technologieführerschaft anbietet, ist dabei zielführend und wir freuen uns, die Partnerschaft mit HIOKI in der Schweiz zu beginnen», meint Silvan Christ, Geschäftsführer der Linktronix AG.

Linktronix AG

Linktronix AG ist ein kompetenter Partner für Test- und Messtechnik. Die Firma wurde im Jahr 2005 als Schweizer Tektronix Generalvertretung gegründet. Seither ist die Firma stetig gewachsen und vertreibt heute die Produkte zahlreicher namhafter Messgerätehersteller wie Tektronix, Keithley, Fluke, HIOKI, MOHR und BK Precision. Angefangen bei einer kompetenten Beratung, wettbewerbsfähigen Preisen sowie einer reibungslosen Auftragsabwicklung, bis hin zum Aftersales Support und Produkteschulungen, bietet Linktronix ein attraktives Gesamtpaket zur optimalen messtechnischen Lösung an.