基于测量电流变化率di/dt的大功率电感测试方法
摘要：传统的lcr电桥+偏流源的大功率电感的测试方法已经不能满足电力电子领域超大电流电感的测试，因此本文提出了一种基于测量电流变化率di/dt的测试方法。在针对这两种测试方法的理论分析基础上，设计了一种实现di/dt法的软硬件电路，并开发了一套完整的产品。对某大功率电感进行测试对比的结果表明， di/dt法和lcr电桥+偏流源方法是一致的。
关键词：电感量测量；大偏置电流；di/dt测试法。
1
引言
目前对于电感的测试，有lcr电桥法、直流脉动法（3）、交流激励测试法（5）、开关式电感测量法（6）。目前常用的是数字化lcr电桥，其原理是在被测的电感上加一个高频电压信号，通过电桥的自动平衡原理，测量电感的各种参数， 如电感量，品质因数等。由于测量的电压是一个不超过10v的小电压，流过电感的电流也是一个几十毫安级的小电流，所以lcr电桥测到的是小信号下的电感参数。这个方法适合对小信号模拟电路上的电感元件的测量。
*电感是一个非线性化的元件，电感参数和流过的电流引起的电感的磁性材料的磁化状态有很大的关系。对大功率电感，目前采用的主要是lcr电桥+偏流源测试方法，该方法的本质是在一个恒定的直流电流上叠加一个高频小信号去测量电感。这种传统lcr电桥+偏流源的测试系统，不但价格昂贵，体积庞大，操作复杂， 而且大测试电流只能在200a以内，已经远远跟不上电力电子新产品的发展。
随着大功率电力电子和新能源产品的高速发展，功率电感的电流定额也日益增长，目前已经有超过1000a电流的功率电感的需求。工程师关心的是功率电感在大电流下的电感量衰减是否满足设计要求、功率电感是否饱和以及饱和的程度如何。大电流功率电感的测量对设计一个高可靠性低成本的电力电子和新能源产品至关重要（4）。针对这种情况，本文提出一种基于测量电流变化率di /dt 的大功率电感测试方法。
2
di/dt法的基本原理
di/dt法的基本原理是对电感器件施加恒定的直流脉冲电压，通过测量电感di/dt的变化， 计算出对应电感量和其他参数（1）（3）。
基本公式如下：
u=ldi/dt（1）
图1是电感的直流磁链对电流的曲线。ia是电感工作点偏置电流，ib是电流达到预设的停止测试的大电流点。工作点a在磁化曲线上变化，割线电感lsec和增量电感linc都将产生相应的改变。
图 1 割线电感lsec和增量电感linc
di/dt法是对直流磁链曲线切线计算增量电感(1)(2)，我们定义增量电感(动态电感或小信号电感）linc如下linc=△ψma/△ia
lcr电桥+偏流源测试方法是对直流磁化曲线上叠加的一个交流小磁滞回环测量增量电感，如图2所示。
图 2 lcr电桥+偏流源测试方法的交流磁滞回环和增量电感
lcr电桥所得到△ψma和△ia分别对应的是磁链变化的峰值和电流变化的峰值。两个顶点拉的一条直线和直流磁链曲线切线的物理意义相同，理论上是平行的。lcr电桥所得到的交流磁滞回环是极小的，所以lcr电桥所测的增量电感值和磁链曲线切线计算的增量电感是很接近的。
电力电子领域的滤波电感的工作状态正是一个直流偏置电流上叠加一个交流磁化曲线，增量电感才是用户关心的物理量。
另外割线电感或大信号电感lsec定义如下。这个物理量是lcr电桥无法测量的。
lsec=ψma/ia（3）
图3 di/dt法基本原理框图
如图3所示的是di/dt法基本原理框图。系统由一个可调的电压源对储能电容进行充电，当充电到预设的电压后停止。控制电路发出一个导通脉冲到大功率电子开关t1，使得储能电容c1、c2、c3对被测电感施加一个脉冲电压。当超过大电流限值ib时则切断脉冲电压。
ad采集卡对被测电感元件上的电压u和电流i进行精密的高速ad采样，我们可以获得相应的电压电流数据。把这组数据进行计算，就可以获得对应的电感参数：增量电感、正割电感、磁链和磁共能。可以得到增量电感以及正割电感对电流的电感曲线，既可以作为电流的函数，也可以作为施加的电压—时间积分的函数。
这种测量方法相比于偏流源法的优点是很明显的。优点如下：
①由于是单脉冲测量，利用电容的放电可以很容易得到*的偏置电流，如数千安倍。
②测量条件与电力电子实际应用中的电感元件的方波脉冲电压的工作条件是一致的。所以di/dt法测试结果更加接近于真实的电力电子的工作状态。
3
di/dt法设计的大电流电感测试仪
ipt1000 是基于di/dt法设计的大电流电感测试仪，技术指标如下：
表1大电流电感测试仪技术指标
大测试能量 大脉冲电压 大脉冲电流 电流档位1 电流档位2 电流档位3
1100j 400v 1000a 1-10a 10-100a 100-1000a
为了确认di/dt法和lcr+偏流源法测试电感的一致性，我们对伍尔特的大功率电感（型号7443763521033）进行对比测试，该电感的额定电流是7，标称电感3.3uh。由于该电感的感量较小，为了提高测试精度，对该电感测试的时候采用了10v电压。如果选择的测试电压比较高，那么放电脉冲时间就特别短，会导致噪声和误差比较大。
下面的表2是ipt1000和wk3255b英国稳科lcr+wk3265b 偏流源（50a）测试同一个型号7443763521033的电感的数据对比 (电感单位uh)。测试结果表明两个数据很接近。大的误差为6%，发生在激励频率比较低的1khz处。
表2 di/dt法和lcr+偏流源法测量比较结果
直流偏置电流 1 20a 30a 3 40a 46a
lcr+偏流f=1khz 3.66 3.66 3.65 3.64 3.63 3.61 3.59
lcr+偏流f=10khz 3.44 3.44 3.44 3.44 3.44 3.44 3.42
lcr+偏流f=100khz 3.31 3.31 3.31 3.3 3.29 3.29 3.27
ipt1000 3.38 3.5 3.41 3.43 3.45 3.45 3.47
4
结语
本文提出了一种基于测量电流变化率di/dt来计算出电感值的方法，并研发设计出了相应的产品。在对某大功率电感进行测试对比后的结果表明，di/dt法和lcr电桥+偏流源法的测试结果是一致的。
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关键词：电感量测量；大偏置电流；di/dt测试法。
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引言
目前对于电感的测试，有lcr电桥法、直流脉动法（3）、交流激励测试法（5）、开关式电感测量法（6）。目前常用的是数字化lcr电桥，其原理是在被测的电感上加一个高频电压信号，通过电桥的自动平衡原理，测量电感的各种参数， 如电感量，品质因数等。由于测量的电压是一个不超过10v的小电压，流过电感的电流也是一个几十毫安级的小电流，所以lcr电桥测到的是小信号下的电感参数。这个方法适合对小信号模拟电路上的电感元件的测量。
*电感是一个非线性化的元件，电感参数和流过的电流引起的电感的磁性材料的磁化状态有很大的关系。对大功率电感，目前采用的主要是lcr电桥+偏流源测试方法，该方法的本质是在一个恒定的直流电流上叠加一个高频小信号去测量电感。这种传统lcr电桥+偏流源的测试系统，不但价格昂贵，体积庞大，操作复杂， 而且大测试电流只能在200a以内，已经远远跟不上电力电子新产品的发展。
随着大功率电力电子和新能源产品的高速发展，功率电感的电流定额也日益增长，目前已经有超过1000a电流的功率电感的需求。工程师关心的是功率电感在大电流下的电感量衰减是否满足设计要求、功率电感是否饱和以及饱和的程度如何。大电流功率电感的测量对设计一个高可靠性低成本的电力电子和新能源产品至关重要（4）。针对这种情况，本文提出一种基于测量电流变化率di /dt 的大功率电感测试方法。
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di/dt法的基本原理
di/dt法的基本原理是对电感器件施加恒定的直流脉冲电压，通过测量电感di/dt的变化， 计算出对应电感量和其他参数（1）（3）。
基本公式如下：
u=ldi/dt（1）
图1是电感的直流磁链对电流的曲线。ia是电感工作点偏置电流，ib是电流达到预设的停止测试的大电流点。工作点a在磁化曲线上变化，割线电感lsec和增量电感linc都将产生相应的改变。
图 1 割线电感lsec和增量电感linc
di/dt法是对直流磁链曲线切线计算增量电感(1)(2)，我们定义增量电感(动态电感或小信号电感）linc如下linc=△ψma/△ia
lcr电桥+偏流源测试方法是对直流磁化曲线上叠加的一个交流小磁滞回环测量增量电感，如图2所示。
图 2 lcr电桥+偏流源测试方法的交流磁滞回环和增量电感
lcr电桥所得到△ψma和△ia分别对应的是磁链变化的峰值和电流变化的峰值。两个顶点拉的一条直线和直流磁链曲线切线的物理意义相同，理论上是平行的。lcr电桥所得到的交流磁滞回环是极小的，所以lcr电桥所测的增量电感值和磁链曲线切线计算的增量电感是很接近的。
电力电子领域的滤波电感的工作状态正是一个直流偏置电流上叠加一个交流磁化曲线，增量电感才是用户关心的物理量。
另外割线电感或大信号电感lsec定义如下。这个物理量是lcr电桥无法测量的。
lsec=ψma/ia（3）
图3 di/dt法基本原理框图
如图3所示的是di/dt法基本原理框图。系统由一个可调的电压源对储能电容进行充电，当充电到预设的电压后停止。控制电路发出一个导通脉冲到大功率电子开关t1，使得储能电容c1、c2、c3对被测电感施加一个脉冲电压。当超过大电流限值ib时则切断脉冲电压。
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这种测量方法相比于偏流源法的优点是很明显的。优点如下：
①由于是单脉冲测量，利用电容的放电可以很容易得到*的偏置电流，如数千安倍。
②测量条件与电力电子实际应用中的电感元件的方波脉冲电压的工作条件是一致的。所以di/dt法测试结果更加接近于真实的电力电子的工作状态。
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下面的表2是ipt1000和wk3255b英国稳科lcr+wk3265b 偏流源（50a）测试同一个型号7443763521033的电感的数据对比 (电感单位uh)。测试结果表明两个数据很接近。大的误差为6%，发生在激励频率比较低的1khz处。
表2 di/dt法和lcr+偏流源法测量比较结果
直流偏置电流 1 20a 30a 3 40a 46a
lcr+偏流f=1khz 3.66 3.66 3.65 3.64 3.63 3.61 3.59
lcr+偏流f=10khz 3.44 3.44 3.44 3.44 3.44 3.44 3.42
lcr+偏流f=100khz 3.31 3.31 3.31 3.3 3.29 3.29 3.27
ipt1000 3.38 3.5 3.41 3.43 3.45 3.45 3.47
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结语
本文提出了一种基于测量电流变化率di/dt来计算出电感值的方法，并研发设计出了相应的产品。在对某大功率电感进行测试对比后的结果表明，di/dt法和lcr电桥+偏流源法的测试结果是一致的。
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