電流量測:直接入力與勾式入力差異
電力電子領域中高精度測量 功率時所需的電流測量技術1 前言在電力電子的領域中,我們對功率調節器的功率轉換效率測量、變頻器・馬達的效率測量、線圈的損耗測量等等,在各種各樣的情況下都需要用到高精度(電流和電壓)的測量。在本稿中,我們把焦點放在電流測量的技術討論上。我司使用獨自的研發技術,開發電流感測器以及功率計(功率分析儀)已經有一定的歷史了。在這裡,我們將介紹我司的一部份技術內容。2 關於電流的測量方式使用功率分析儀來進行電流測量時,一般是使用直接接線方式。(Fig.2.1(a))和電流感測器方式(Fig.2.1(b))。以下,我們將闡述其各自的特徵。2.1 直接接線方式直接接線方式,是把被測對象的引線直接接到功率分析儀上後,直接測量電流的方式。這個方式的測量原理較為簡單,好處還有使用功率計自身就能進行電流測量。所以這種方法自古以來都在被大家所使用。但是,把電流的接線引出,接到功率分析儀的電流輸入部位也就等同於把功率分析儀接到了被測對象的電路中。因此,也有以下的不利之處。i) 測量時,被測對象的狀態和實際工作狀態存在差異。ii) 因為引線而造成的接線的電阻,會增加損耗。iii) 接線間以及接線-GND之間會產生線間電容耦合,增加高頻的洩漏電流。比如,上述ii)我們舉個例子,使用 AWG6的線材,引出 5m 的線的話,那麼線電阻就是 6.5mΩ。假設被測對象的電流是 30A 的話,因接線電阻而造成的損耗,就是 5.85W。雖然光用 5.85W 這個數值,並沒有辦法判斷是大還是小,但是對被測對象的功率值來說,這個損耗是無法忽視的。另外,直接接線方式一般都是使用分流電阻來檢測電流的。這個使用分流電阻的檢測方式,也是存在缺點的。i) 在分流電阻中流過電流的話,會發生與電流的平方成正比的焦耳的熱量。這個熱量不但會對儀器造成損耗,還會因自身的發熱導致分流電阻自身的電阻值發生變化。會讓精度變差。ii) 為了抑制發生熱量,也能使用電阻值較小的分流電阻。但是,阻值較小的分流電阻無法忽視掉一些微弱的感應成分,會讓頻率特性變差。iii) 這些都是在測量電流、功率時讓精度變差的主要因素,在測量大電流時,需要特別注意。Fig2.2中表示的是,在2mΩ的分流電阻上流過 20A電流時自我發熱的情況。為了做比對,我們在接線上還放入了我司額定50A的電流感測器 CT6862。可以看到,分流電阻因為自我放熱,溫度上升到了50°C 左右。而電流感測器上幾乎看不到有自我發熱的現象。那麼就可以知道,使用電流感測器時對測量設備的損耗以及因自身的溫度特性而導致的對測量精度的影響,都是很微弱的。從以上來看,直接接線方式在測量待機功率,或者測量 LED 照明的功耗這種,不太會受到分流電阻發熱影響的微弱電流(~1A 左右)時,是非常有效的。2.2 電流感測器方式電流感測器方式,是要把電流感測器接在被測對象的接線上,把感測器的輸出訊號(電流或電壓)輸入到功率分析儀中的測量方法。使用電流感測器方式的話,測量對象的狀態就和實際工作中的狀態一樣,並且測量大電流時,自身的發熱也很微弱,不會影響測量精度。我們大致把 5A 作為分界線,想要高精度測量比它還大的電流時,比起直接接線方式使用電流感測器更為合適,在電力電子領域中一般也都是使用電流感測器方式的。Fig.2.3 直接接線方式和電流感測器方式的高精度可測電流值的範圍和頻率帶寬。(即使在圖中範圍以外的地方,也並不是說就一定不能測量了,這點還需要注意。)