摘要：傳統(tǒng)的LCR電橋+偏流源的大功率電感的測(cè)試方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足電力電子領(lǐng)域超大電流電感的測(cè)試，因此本文提出了一種基于測(cè)量電流變化率di/dt的測(cè)試方法。在針對(duì)這兩種測(cè)試方法的理論分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)di/dt法的軟硬件電路，并開(kāi)發(fā)了一套完整的產(chǎn)品。對(duì)某大功率電感進(jìn)行測(cè)試對(duì)比的結(jié)果表明， di/dt法和LCR電橋+偏流源方法是一致的。

關(guān)鍵詞：電感量測(cè)量；大偏置電流；di/dt測(cè)試法。

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引言

目前對(duì)于電感的測(cè)試，有LCR電橋法、直流脈動(dòng)法（3）、交流激勵(lì)測(cè)試法（5）、開(kāi)關(guān)式電感測(cè)量法（6）。目前常用的是數(shù)字化LCR電橋，其原理是在被測(cè)的電感上加一個(gè)高頻電壓信號(hào)，通過(guò)電橋的自動(dòng)平衡原理，測(cè)量電感的各種參數(shù)， 如電感量，品質(zhì)因數(shù)等。由于測(cè)量的電壓是一個(gè)不超過(guò)10V的小電壓，流過(guò)電感的電流也是一個(gè)幾十毫安級(jí)的小電流，所以L(fǎng)CR電橋測(cè)到的是小信號(hào)下的電感參數(shù)。這個(gè)方法適合對(duì)小信號(hào)模擬電路上的電感元件的測(cè)量。

*電感是一個(gè)非線(xiàn)性化的元件，電感參數(shù)和流過(guò)的電流引起的電感的磁性材料的磁化狀態(tài)有很大的關(guān)系。對(duì)大功率電感，目前采用的主要是LCR電橋+偏流源測(cè)試方法，該方法的本質(zhì)是在一個(gè)恒定的直流電流上疊加一個(gè)高頻小信號(hào)去測(cè)量電感。這種傳統(tǒng)LCR電橋+偏流源的測(cè)試系統(tǒng)，不但價(jià)格昂貴，體積龐大，操作復(fù)雜， 而且大測(cè)試電流只能在200A以?xún)?nèi)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上電力電子新產(chǎn)品的發(fā)展。

隨著大功率電力電子和新能源產(chǎn)品的高速發(fā)展，功率電感的電流定額也日益增長(zhǎng)，目前已經(jīng)有超過(guò)1000A電流的功率電感的需求。工程師關(guān)心的是功率電感在大電流下的電感量衰減是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、功率電感是否飽和以及飽和的程度如何。大電流功率電感的測(cè)量對(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)高可靠性低成本的電力電子和新能源產(chǎn)品至關(guān)重要（4）。針對(duì)這種情況，本文提出一種基于測(cè)量電流變化率di /dt 的大功率電感測(cè)試方法。

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di/dt法的基本原理

      di/dt法的基本原理是對(duì)電感器件施加恒定的直流脈沖電壓，通過(guò)測(cè)量電感di/dt的變化， 計(jì)算出對(duì)應(yīng)電感量和其他參數(shù)（1）（3）。

基本公式如下：

U=Ldi/dt（1）

圖1是電感的直流磁鏈對(duì)電流的曲線(xiàn)。I_A是電感工作點(diǎn)偏置電流，I_B是電流達(dá)到預(yù)設(shè)的停止測(cè)試的大電流點(diǎn)。工作點(diǎn)A在磁化曲線(xiàn)上變化，割線(xiàn)電感L_sec和增量電感L_inc都將產(chǎn)生相應(yīng)的改變。

圖 1 割線(xiàn)電感L_sec和增量電感L_inc

di/dt法是對(duì)直流磁鏈曲線(xiàn)切線(xiàn)計(jì)算增量電感(1)(2)，我們定義增量電感(動(dòng)態(tài)電感或小信號(hào)電感）L_inc如下

L_inc=△ΨmA/△IA

LCR電橋+偏流源測(cè)試方法是對(duì)直流磁化曲線(xiàn)上疊加的一個(gè)交流小磁滯回環(huán)測(cè)量增量電感，如圖2所示。

圖 2 LCR電橋+偏流源測(cè)試方法的交流磁滯回環(huán)和增量電感

LCR電橋所得到△Ψ_mA和△I_A分別對(duì)應(yīng)的是磁鏈變化的峰值和電流變化的峰值。兩個(gè)頂點(diǎn)拉的一條直線(xiàn)和直流磁鏈曲線(xiàn)切線(xiàn)的物理意義相同，理論上是平行的。LCR電橋所得到的交流磁滯回環(huán)是極小的，所以L(fǎng)CR電橋所測(cè)的增量電感值和磁鏈曲線(xiàn)切線(xiàn)計(jì)算的增量電感是很接近的。

電力電子領(lǐng)域的濾波電感的工作狀態(tài)正是一個(gè)直流偏置電流上疊加一個(gè)交流磁化曲線(xiàn)，增量電感才是用戶(hù)關(guān)心的物理量。

另外割線(xiàn)電感或大信號(hào)電感L_sec定義如下。這個(gè)物理量是LCR電橋無(wú)法測(cè)量的。

Lsec=ΨmA/IA（3）

圖3 di/dt法基本原理框圖

如圖3所示的是di/dt法基本原理框圖。系統(tǒng)由一個(gè)可調(diào)的電壓源對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，當(dāng)充電到預(yù)設(shè)的電壓后停止。控制電路發(fā)出一個(gè)導(dǎo)通脈沖到大功率電子開(kāi)關(guān)T1，使得儲(chǔ)能電容C1、C2、C3對(duì)被測(cè)電感施加一個(gè)脈沖電壓。當(dāng)超過(guò)大電流限值I_B時(shí)則切斷脈沖電壓。

AD采集卡對(duì)被測(cè)電感元件上的電壓U和電流I進(jìn)行精密的高速AD采樣，我們可以獲得相應(yīng)的電壓電流數(shù)據(jù)。把這組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，就可以獲得對(duì)應(yīng)的電感參數(shù)：增量電感、正割電感、磁鏈和磁共能?？梢缘玫皆隽侩姼幸约罢铍姼袑?duì)電流的電感曲線(xiàn)，既可以作為電流的函數(shù)，也可以作為施加的電壓—時(shí)間積分的函數(shù)。

這種測(cè)量方法相比于偏流源法的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。優(yōu)點(diǎn)如下：

①由于是單脈沖測(cè)量，利用電容的放電可以很容易得到極大的偏置電流，如數(shù)千安倍。

②測(cè)量條件與電力電子實(shí)際應(yīng)用中的電感元件的方波脈沖電壓的工作條件是一致的。所以di/dt法測(cè)試結(jié)果更加接近于真實(shí)的電力電子的工作狀態(tài)。

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di/dt法設(shè)計(jì)的大電流電感測(cè)試儀

IPT1000 是基于di/dt法設(shè)計(jì)的大電流電感測(cè)試儀，技術(shù)指標(biāo)如下：

表1大電流電感測(cè)試儀技術(shù)指標(biāo)

為了確認(rèn)di/dt法和LCR+偏流源法測(cè)試電感的一致性，我們對(duì)伍爾特的大功率電感（型號(hào)7443763521033）進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，該電感的額定電流是7，標(biāo)稱(chēng)電感3.3UH。由于該電感的感量較小，為了提高測(cè)試精度，對(duì)該電感測(cè)試的時(shí)候采用了10V電壓。如果選擇的測(cè)試電壓比較高，那么放電脈沖時(shí)間就特別短，會(huì)導(dǎo)致噪聲和誤差比較大。

下面的表2是IPT1000和WK3255B英國(guó)穩(wěn)科LCR+WK3265B 偏流源（50A）測(cè)試同一個(gè)型號(hào)7443763521033的電感的數(shù)據(jù)對(duì)比 (電感單位UH)。測(cè)試結(jié)果表明兩個(gè)數(shù)據(jù)很接近。大的誤差為6%，發(fā)生在激勵(lì)頻率比較低的1kHz處。

表2 di/dt法和LCR+偏流源法測(cè)量比較結(jié)果

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結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于測(cè)量電流變化率di/dt來(lái)計(jì)算出電感值的方法，并研發(fā)設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的產(chǎn)品。在對(duì)某大功率電感進(jìn)行測(cè)試對(duì)比后的結(jié)果表明， di/dt法和LCR電橋+偏流源法的測(cè)試結(jié)果是一致的。