功率電感器關(guān)鍵參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置

曾智強(qiáng) 董紀(jì)清

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

功率電感器是目前開(kāi)關(guān)電源電路中應(yīng)用最廣泛的磁件之一。功率電感器的關(guān)鍵參數(shù)包括了電感的溫升電流、直流電阻、直流損耗等。目前，完成全部參數(shù)的測(cè)量需要多種儀器和電路組合，并且需要人工實(shí)時(shí)調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)。由于溫升電流屬于慣性系統(tǒng)，每次測(cè)試時(shí)需要不斷的調(diào)整測(cè)量電路參數(shù)，測(cè)量狀態(tài)穩(wěn)定后才能得到測(cè)量參數(shù)，所以測(cè)量需要耗費(fèi)大量的人力、物力。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)功率電感器關(guān)鍵參數(shù)的快速、準(zhǔn)確測(cè)量，提高磁心生產(chǎn)廠家測(cè)試高頻參數(shù)的效率，同時(shí)也可以為高頻磁心使用者，如電源生產(chǎn)廠家和研發(fā)單位等提供高頻磁心參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

該測(cè)量裝置以PIC16F877A 單片機(jī)為控制核心，主要由采樣單元、可編程直流源、電感測(cè)試平臺(tái)、顯示單元、環(huán)路反饋控制單元、上位機(jī)通信單元這六部分組成。本設(shè)計(jì)所要測(cè)量的功率電感器的關(guān)鍵參數(shù)包括了溫升電流、直流電阻和直流損耗。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程是用一臺(tái)可編程直流源給電感通以直流電流，然后再通過(guò)電流采樣、電壓采樣、溫度采樣將其送入PIC16F877A 單片機(jī)中進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)化，處理后再控制液晶實(shí)時(shí)顯示通過(guò)電感的電流、兩端的電壓、電阻以及溫升，同時(shí)與PC 機(jī)進(jìn)行通信。國(guó)際上通用的IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用測(cè)量直流電流的方法來(lái)衡量高頻電感的溫升，而電流的大小需要環(huán)路反饋控制單元采用PID 算法給出。如圖1為電感關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量裝置總結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)總體方框圖

2 電路部分

2.1 電壓采樣模塊

由于功率電感器的工作頻率較高，繞組匝數(shù)少，所以它的直流電阻為毫歐級(jí)別，兩端的電壓信號(hào)很小，需要對(duì)其進(jìn)行放大處理。對(duì)于微弱電壓信號(hào)的采樣，抑制噪聲和干擾，提高采樣精度和分辨率是非常關(guān)鍵的。如圖2所示為電壓采樣單元，主要分為三個(gè)部分。第一部分為電壓跟隨器，其輸入電阻高、輸出電阻低可以解決輸入阻抗不平衡的問(wèn)題。同時(shí)，為了使負(fù)載不影響濾波特性，在輸出端也增加了一個(gè)電壓跟隨器。第二部分為差分放大電路，它對(duì)共模噪聲具有很強(qiáng)的抑制作用，并且能減小運(yùn)放的溫漂。第三部分為放大電路，提高了對(duì)電壓信號(hào)的放大能力。根據(jù)圖2所示電路可以得到

根據(jù)上述電壓采樣單元的設(shè)計(jì)，取合適的電阻值使得電壓采樣單元的額定放大倍數(shù)為100 倍。利用saber 對(duì)電壓放大模塊進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖3所示。其放大效果曲線的特性符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 電壓采樣模塊

圖3 電壓放大模塊仿真曲線

2.2 電流采樣模塊

考慮到本系統(tǒng)所測(cè)量的溫升電流為直流電流且最大電流可達(dá)到70A 左右，不適合用采樣電阻的方法進(jìn)行采樣，否則溫升會(huì)影響阻值產(chǎn)生變化并且損耗過(guò)大，故采用霍爾電流傳感器對(duì)電流進(jìn)行采樣。本設(shè)計(jì)選擇的電流傳感器型號(hào)為：LEM LTS 25-NP，其額定電流為25A。它具有測(cè)量精度高、過(guò)載能力強(qiáng)、測(cè)量范圍廣、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。輸出電壓的計(jì)算公式為

式中，Ip為如圖4所示為Proteus 的電流采樣仿真結(jié)果。

圖4 電流采樣仿真結(jié)果

2.3 溫度采樣模塊

功率電感器磁心溫度的測(cè)量方法：工程上為了方便起見(jiàn)一般選用磁心的頂部中心位置作為測(cè)量點(diǎn)，有的時(shí)候也在磁心表面選擇幾個(gè)點(diǎn)，測(cè)量各點(diǎn)的溫度，然后求其平均值作為磁心的溫度。本系統(tǒng)的溫度采樣選擇max6675 和K 型熱電偶進(jìn)行接觸式測(cè)溫。熱電偶可將溫度量轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于溫度的測(cè)量、控制，以及對(duì)溫度信號(hào)的放大、變換等都很方便，可彎曲安裝。MAX6675 將K 型熱電偶中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為12 位數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)讀取，溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

圖5為MAX6675 的典型應(yīng)用電路。圖6為Proteus 的溫度采樣仿真電路。

圖5 MAX6675 的典型應(yīng)用電路

圖6 MAX6675 的仿真電路

3 軟件部分

圖7 主程序工作流程圖

系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要由1 個(gè)主程序和6 個(gè)子程序（電壓、電流采樣子程序、讀溫度子程序、D/A轉(zhuǎn)化子程序、LCD 顯示子程序、PID 計(jì)算及控制子程序、上位機(jī)通信子程序）組成。流程圖如圖7所 示。工作流程：系統(tǒng)上電后，主程序先作系統(tǒng)初始化，接著分別調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序、PID 計(jì)算（圖8）及控制子程序和LCD 顯示子程序、上位機(jī)通信子程序等操作，如此周而復(fù)始地循環(huán)工作。圖9為電感溫升控制器的PID 控制原理圖。

圖8 PID 算法工作流程圖

圖9 電感溫升控制器的PID 控制原理圖

4 結(jié)果測(cè)試

利用VB 編寫(xiě)一個(gè)人機(jī)界面，可以顯示電流、電壓、溫度以及直流電阻等功率電感器的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)直流電流I流過(guò)電感時(shí)，電感兩端的電壓為U，則電感的損耗皆為直流損耗，其大小為：P=U×I。旁邊的實(shí)時(shí)曲線圖，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間的變化情況。如圖10 所示，采用某知電感公司生產(chǎn)的HCF1305 型號(hào)電感作為測(cè)試對(duì)象，環(huán)境溫度為24℃， 溫升基準(zhǔn)值設(shè)置為36℃，則功率電感器的表面溫度應(yīng)升高到60℃。一開(kāi)始由于由于系統(tǒng)中溫度的調(diào)整遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于電流的調(diào)整，所以在前面溫度變化不明顯，隨后經(jīng)過(guò)PID 調(diào)整后很快（大約在150s 的時(shí)候）便達(dá)到基準(zhǔn)值，并保持不變。在700s 的時(shí)候?qū)㈦娏髟磾嚅_(kāi)，功率電感器的溫度便又降為環(huán)境溫度。

圖10 上位機(jī)界面

5 結(jié)論

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)已基本完成，設(shè)計(jì)并制作了一套功率電感器關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量的樣機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)電感溫升電流、直流損耗、直流電阻等關(guān)鍵參數(shù)的全自動(dòng)、快速和精確的測(cè)試，具有友好的人機(jī)后臺(tái)處理界面，能夠?qū)崟r(shí)地將系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示給測(cè)量者，方便測(cè)量者對(duì)測(cè)量過(guò)程以及測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

[1] 江和.PIC16 系列單片機(jī)C 程序設(shè)計(jì)與PROTEUS 仿真[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[2] 劉國(guó)偉.高頻磁性元器件損耗分析及電感溫升電流測(cè)量裝置的研究[D].福建: 福州大學(xué),2011.

[3] 劉暢生,宣宗強(qiáng),雷振壓,等.傳感器簡(jiǎn)明手冊(cè)及應(yīng)用電路—溫度傳感器分冊(cè)(上冊(cè))[M].西安: 西安電子科技大學(xué)出版社,2005.

[4] 李智華,羅恒廉,費(fèi)鴻俊.直流偏置對(duì)功率鐵氧體損耗影響的計(jì)算[J].電工電能新技術(shù),2002,21(3): 41-43.

[5] 丁道宏,趙修科.實(shí)用電源技術(shù)手冊(cè)磁性元器件分冊(cè)[M].遼寧: 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[6] Jon S.Wilson.傳感器技術(shù)手冊(cè).(林龍信,鄧彬,張鼎,劉齊軍,等譯)[M].北京: 人民郵電出版社,2009.

[7] 孔劍虹,何湘寧,錢(qián)照明,等.功率變換器電感在直流偏置或矩形波激勵(lì)時(shí)磁損問(wèn)題研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(5): 13-19.