原作者：Hubert Kreis,首席执行官, ed-k,德国

翻译整理：龚正宏，南京兰泰机电集成有限公司

说明

       对于磁性元件电感量的测试测量，我们将通过包含3部分的一系列文章，对不同测试方案进行解释说明。与传统的基于LCR技术的测试仪、50/60Hz 电源电流的伏安法测试方案，及近期推广应用的基于晶闸管 (SCR) 的脉冲测试方法相比，ed-k的全新脉冲测试方法在实现原理上有着固有优势。在系列文章第1 部分即本文中，我们将详细介绍ed-k 的DPG10/20 系列功率电感测试仪的脉冲测试方法。

摘要：

        针对感性功率器件的电感量测试，创新地采用脉冲测量法的DPG10/20系列功率电感测试仪，基于高性能功率级IGBT的应用，相比较于传统的测量方法和新近推广的晶闸管脉冲测量方法，因其优于其他测量方法的许多优势，从而确立了自己的领导地位。

介绍

       早在2002年，德国ed-k公司成为首家利用脉冲测量原理、采用开关型功率晶体管IGBT，研发和生产商业电感测试仪的制造商。从那时起ed-k就一直是该领域的技术领导者。

       与此同时，ED-K的DPG10/20功率电感测试仪，被逐渐广泛地确立为业内功率电感器件开发、生产与质量控制的一个准标准。

图1：DPG10/20功率电感测试仪

DPG10/20功率电感测试仪的脉冲测量原理

       根据脉冲测试原理，与在大多数实际的电力电子应用中一样，一个方波电压脉冲会被施加到测试样品上，这样就会在测试样品中产生一个上升电流曲线，其转换速率di/dt取决于与电流具有依存特性的电感系数L(i)。当达到预设的最大电流或预设的脉冲持续时间时，测试脉冲会被断开。快速的IGBT通断正是用于此目的。

图2：电气原理简图

       脉冲能量来自电容器组。如果其（电容器组）能量含量显著高于在所需最大测量电流下存储在被测电感器中的能量，则测量脉冲的电压是大致恒定的。基于工作原理，无论测试样品的类型如何，电容器组的电容量没有上限，这也是对几乎所有感应功率元件有着极其广泛应用范围的原因之一。

图3：测量脉冲的电流与电压曲线

CH1:电流 100A/div

CH3: 电压 50V/div

        根据电感器上的电流曲线i(t)和电压曲线u(t)，使用单个测量脉冲，一个电感器的完整电感曲线L(i)，包括增量电感Linc(i)和割线电感Lsec(i)，就能被计算出来。增量电感Linc(i)通常也称为差分电感Ldiff(i)；割线电感 Lsec(i) 通常也称为振幅电感 Lamp(i)。

图4：增量电感Linc(i)与割线电感Lsec(i)曲线图

图5：增量电感Linc(i)与割线电感Lsec(i) 的定义

       电感曲线的x轴也可以用电压-时间积分∫Udt的比例关系来表现，有时这会很有帮助，例如用于判定触发变压器的频率下限。

图6：图4中测量增量电感的电压-时间积分Linc(∫Udt)曲线图

然而，其它的重要参数也能从测量数据中被确定出来：

1. 1. 1. 磁链ψ(i)；
      2. 磁共能 WCO(i)
      3. 磁通密度B(i),如果已知磁芯的几何形状和绕组数

图7：磁链ψ(i)

采用IGBT的脉冲测量法的优势

       采用快速通断的IGBT的脉冲测量法有着广泛的应用，它适合于几乎所有类型的功率感应器件，从小型SMD电感到在MVA范围、重达数吨的功率扼流圈；

1. 非常宽的电流范围，目前可用的电流从0.1A到10000A；
2. 目前脉冲量从几微焦到15千焦；
3. 适用于所有磁性材料，从数百kHz到<5Hz
4. 尽管测量电流很高，但体积小、重量轻且相对便宜；
5. 非常简单的测量，几秒钟内得到测量结果
6. 对测试样品没有热影响
7. 也适用于三相交流电抗器

测量电压与脉冲宽度的正确选择

        对于脉冲测量法，测量参数（最大电流、测量电压和脉冲宽度）的正确选择是重要的。

       只有电感的测量采用与实际应用中同样的方波形式，同样的频率或脉冲宽度，才能唯一获得最真实的测量结果。

       采用能够通断的IGBT的DPG系列功率电感测试仪的脉冲测量法是可能的。如大多数电力电子应用一样，一个方波测量电压被使用。当忽略寄生效应和磁芯饱和时，最大电流∆i, 测量电压Um 脉冲宽度（频率）和电感值Ldiff存在下列关系:

∆t = Ldiff * ∆i / Vm

       利用一个给定的最大电流∆i，则脉冲宽度因此能通过测量电压Vm设定，相反地，如果脉冲宽度∆t是预设的，则最大电流∆i也能通过测量电压Vm.来设定。

       测量电压因此应当一直选择大致与实际的应用一样的高。如果测量电压选择太大（例如脉冲宽度太小）或太小（例如脉冲宽度太大），则测量结果可能依据磁芯材料会偏离太大或太小。即使测量电压加倍，差异也可能很小，例如带铁氧体磁芯，然而，对于其它磁芯材料，如图8显示，差异可能会相当显著。

图8：不同测试电压的测试结果比较。

测试样品：带叠片铁芯的电抗器，3UI48 测试电流：10A

曲线1：测量电压31V,脉冲宽度5000µs

曲线2：测量电压270V,脉冲宽度500µs

曲线3：测量电压400V，脉冲宽度330µs

       因此，某些厂商提供的测试参数自动选择功能绝对是荒谬的，目前没有任何算法可以确定实际应用中电感两端的电压。

       所谓参数自动选择功能只是通过以隐藏这些限制的方式来设置测试电压，以掩盖仪器本身的采样率和存储深度不足等缺陷。

       这一功能只是为了隐藏仪表通过用这样的方法设置测试电压的弱点，譬如不足的采样率和存储深度，这些局限是隐藏的。

采样率和脉冲宽度范围

        对于测量脉冲应具有与实际应用中相同的脉冲宽度的要求，就必须一个非常高的采样率和一个非常宽的脉冲宽度范围。这可以通过2个例子来说明。

       例1：具有铁氧体磁芯的存储扼流圈，用于开关频率为200kHz的开关电源。这需要几微秒的脉冲宽度。 假设脉冲宽度为 3 µs，并且电感曲线需要至少150个采样点，则采样率至少为 50 MS/s。

        例2：用于铁路应用的扼流圈以 16 2/3 Hz的频率运行。 因此脉冲宽度应约为 30 ms（全波 60 ms，半波 30 ms）。

        然而，高采样率和大脉冲宽度会导致另一个问题。要么需要一个不成比例的大储存深度，要么发生储存溢出。

         因此，DPG10/20 系列功率电感测试仪使用了专门开发的具有特殊功能的 A/D 转换器。 对于长脉冲，可自动降低 2 x 50 MS/s 的高采样率，从而几乎使最大可能的脉冲宽度不受限制。脉冲宽度可以设置在 3 µs 和 70 ms 之间，如果需要，甚至可以增加到几秒。 因此，功率电感测试仪 DPG10/20 系列适用于从几个100 kHz ，直到小到 < 5 Hz 的所有磁芯材料。    

预告:

       本系列文章的第二部分将叙述测量电感的其他方法。这将包括使用或不使用直流偏置（DC bias）（LCR表）的正弦电压和电流的小信号测量法，以及使用外部电源电压和外部电源电流的常规测量法（伏安法）。也对近来宣传的带有（不能关闭的）可控硅的脉冲测量原理进行了解释。所有三种测量方法，相比较于DPG10/20功率电感测试仪的脉冲测量法，基于原理相关的、至关重要的缺陷也将会进行证明。

关于作者

Dipl.-Ing. Hubert Kreis是ed-k公司的所有者。他曾在斯图加特工业大学学习电气工程，自1994年以来，一直在多家公司，从事开关模式电源、重型车辆的电力驱动系统和航空设备的电力电子设备的开发及相关的工作。

2002年，他创立了ed-k公司，专门从事采用极其紧凑的大功率输出级别IGBT，将脉冲测量方法应用到电感计上，从而帮助这一测量原理在全球范围内实现了突破。

www.ed-k.de

www.dpg10.com

补充说明：

本文曾作为封面文章，发表于《Bodo's功率系统》（https://www.dldz360.com/）杂志中文杂志（网络版或纸质版）2022年1-2月刊，由授权合作伙伴南京兰泰机电集成有限公司根据英文文章翻译。

原版英文发表于著名的bodo's power systems平台 （https://www.bodospower.com/），有兴趣的用户可通过相关搜索获得英文原文，以作英中版本对照了解。

本文部分内容在此后发展中，又有了更多的进步与变化，如软件的中文化、自动化，测试工装的标准化与定制化。若想了解更多信息，可通过多种方法联系！