Méréstechnikai megoldások teljesítménykonverziós alkalmazásokhoz

A H TEST konferenciája a Keysight teljesítményelektronikai műszereiről

A szakmában köztudott, hogy az elektromobilitási megoldások és alternatív energiaforrások iránt mutatkozó erős növekedést mutató igények az elektromosenergia-konverziós és tápellátási rendszerekkel szemben új, magasabb szintű követelményeket támasztanak. A korszerűsödő, egyre bonyolultabb és „kiélezettebb” teljesítményelektronikai termékek mérése sem végezhető el eredményesen a feladathoz jól alkalmazkodó műszerek nélkül.

Manapság a kiberfizikai rendszerekre alapozott, digitalizált ipari termelésen alapuló „negyedik ipari forradalom”, az Ipar 4.0 kifejezés alaposan beépült az ipar világának gondolkodásmódjába. Azonban azt ajánlom: az olvasó végezzen egy önkísérletet: próbálja meg „fejből” felidézni, hogy mit jelent az előző három. Anélkül, hogy a játékot elrontanám, annyit elárulok, hogy a villamos energia alkalmazása már a másodikban megjelent (és azóta is a technikai civilizáció nélkülözhetetlen része). Az azonban köztudomású, hogy a villamos energia szinte sohasem abban a formában áll rendelkezésre, ahogy azt egy adott műszaki feladat megoldásához optimálisan fel lehetne használni. A villamos energiát tehát rendszerint konvertálni kell. Néhány ritka, és sokszor korlátozott körülmények között használható kivételtől eltekintve (feszültségosztó, transzformátor) ennek megoldásához aktív elemekre van szükség. Még 50-60 éve is az „aktív elem” szerepét többnyire villamos forgógépek, esetleg gáztöltésű csövek látták el, ma azonban ezt a szerepet a félvezető alapú elektronika vette át – a mobiltelefon töltőjétől a bányászati futószalagok megawattos teljesítményű, szabályozott motorhajtásaiig. A teljesítményelektronika minden, csak nem „befejezett” szakterület: mind a kezelt teljesítmény, mind a hatásfok növelése, mind pedig az alkalmazások gyors bővülése rendkívül aktív fejlesztőmunkát tesz szükségessé. Ezt a folyamatot csak megfelelő fejlesztőeszközök, műszerek birtokában lehet „iparszerűen” végezni.

Ennek jegyében rendezte a H TEST Hungary Kft., a Keysight vállalat hazai hivatalos forgalmazója azt a konferenciát, amelynek keretében az USA-beli műszergyártó teljesítményelektronikai célra (is) használható műszereiről tájékozódhatott a hallgatóság.
A konferencia gondolatmenete egy négylépéses folyamat állomásaira fűzte fel azokat a műszaki fejlesztői feladatokat, amelyekhez a Keysight műszerei – gyakorlatilag „testreszabott” – megoldásokat kínálnak. Ez a négy fázis a következő:

• a teljesítményeletronikai alkatrészek értékelése,

• automatizált elektronikus tervezés,

• hardvertervezés és hibakeresés,

• a megvalósított terv elvárt paramétereinek és a biztonsági szabványoknak való megfelelés ellenőrzése.

Az alkalmazások köre szinte felmérhetetlen, és napról napra növekszik: a közlekedés, a nehézipar, a háztartási készülékek, a megújuló energiaforrások kiaknázása – csupa dinamikusan növekvő felhasználási terület. A technológiák is túllépik a ma szokásos Si-alapú megoldások körét: a szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) alapanyagok térhódítása is egyre igényesebb méréstechnológiát követel.

1. fázis: A teljesítményelektronikai alkatrészek értékelése

A fejlesztők problémáinak áttekintése alapján könnyen megérthető, hogy miért szükséges célzottan teljesítményelektronikai mérésére szánt eszközöket alkalmazni:

• széles üzemi hőmérséklet-tartomány,

• széles áram- és feszültségtartomány,

• megbízhatóság.^[1]

Az analóg és a kapcsolóüzemű elektronikai alkatrészek vizsgálata során sokszor kV nagyságrendű feszültségeket, 10…1000 A-es áramokat, rendkívül kis nyitóirányú ellenállást és szivárgóáramot kell mérni igen magas üzemi hőmérsékleten is, ráadásul – a termelékenységi elvárások miatt – az sem mindegy, hogy milyen gyorsan szerzünk információt ebben a szélsőséges paramétertartományban.
A Keysight B1506A műszercsaládja 3 kV-ig képes mérőfeszültséget előállítani, és modelltől függően 20, 500 vagy 1500 A-ig mérhet áramot. Automatikusan képes végigmérni a teljesítmény- elektronikai eszközök adatlapjain megszokott paramétereket, kiszámítja a veszteségi teljesítményeket, a csatorna-ellenállásokat, a kaputöltéseket – ráadásul mindezt ‑50…+250 °C üzemi hőmérséklet-tartományban.
A B1505A műszer rugalmasan és skálázhatóan képes a tervezési munka mérésigényét kielégíteni. Szelet- (wafer-) szinten és tokozott eszközöknél is használható, 10 kV/1500 A tartományban működhet. Záróirányban pA alatti szivárgóáramot, nyitóirányban pedig akár µΩ-os csatorna-ellenállást is mérhet. Mérni képes a kaputöltést, a parazita kapacitásokat – ‑50…+250 °C között.

2. fázis: automatizált elektronikus tervezés

A hagyományos teljesítményelektronikai fejlesztőszoftver-eszközök koncentrált paraméterű helyettesítőképekkel működnek, és csupán időtartomány-beli vizsgálatokra alkalmasak. A korszerű kapcsolóüzemű áramkörökben azonban az átkapcsolási veszteség csökkentése miatt egyre rövidebb kapcsolási időkre törekszenek a fejlesztők. A tranziens jelek spektruma egyre szélesebbé válik, amely miatt már a koncentrált paraméterű tervezés és szimuláció mellett az elosztott paraméterű helyettesítő képek alkalmazása is szükségessé válik. Az időtartományon kívül a frekvenciatartománybeli vizsgálatok is szerephez jutnak, a kis mértékű parazita hatások (szórt kapacitások, kivezetések induktivitása) sem hanyagolhatók el, és a NyÁK-lap vezetősávjainak fizikai tulajdonságait is figyelembe kell venni. Ehhez nyújt segítséget a Keysight Advanced Design System moduláris szoftverplatformja, amely a szimuláció, az elosztott paraméterű áramköranalízis, az idő- és frekvenciatartománybeli vizsgálat, az EMI-modellezés és a termikus viselkedés elemzése eszközeivel támogatja a tervezési folyamatot.

3. fázis: a teljesítményelektronikai tervezés és hibakeresés

A működő áramköri modell, illetve a prototípus mérése, a konstrukciós hibák felderítése „az igazi labormunka”. Ennek egyik legfontosabb feltétele, hogy „lássuk a jeleket” – amelyre a Keysight az InfiniiVision oszcilloszkópcsaládját ajánlja. Ez természetesen „csak” általános célú laborműszer, de csupán addig, amíg az opcionálisan rendelhető teljesítményelektronikai mérőfunk-ciókkal ki nem egészíti a felhasználó. A 14-féle teljesítmény-mérési funkcióval azonban automatizált megoldássá változik, amely „célzott” információkat szolgáltat a gyors hibakereséshez és az áramköri terv optimalizálásához. 

Fontos szerep jut a teljesítményelektronikai labormunkában az egyenáramú áramforrásoknak is. Itt a Keysight N8900-sorozatát érdemes kiemelni, amelynek kimenete támogatja az autoranging funkciót, vagyis képes a teljesítmény-feszültség és az áram-feszültség határgörbék kezelésére is. Érdemes megjegyezni, hogy a korszerű teljesítményeletronikai eszközök „kétirányúak”, ezért a generátor típusú műszereknek terhelésként is működniük kell. Az egyenáramú elektronikus (regeneratív) terhelések területén is folyamatos fejlesztéseket tervez a cég, de hasonló funkciók megvalósításával az AC-tartományban is foglalkoznak. Ezek pillanatnyi piacképességéről a hivatalos képviselet adhat naprakész információt. (A széles áramtartományok kezelésére áramváltók, árammérő szondák, söntök és más kiegészítők alkalmazására is szükség lehet.)

4. fázis: a kész terv ellenőrzése és a szabványmegfelelés vizsgálata

Ebben a fázisban a mérés tárgya már az elkészült prototípus vagy a gyártási mintakészülék. A fejlesztő itt ellenőrzi a hatásfokra vonatkozó követelmények teljesülését, megbízhatósági vizsgálatokat végez, ellenőrzi, hogy a működő készülék megfelel-e a vonatkozó biztonsági szabványoknak és az elektromágneses zavarkompati-bililtási (EMC-) követelményeknek. Itt arra is figyelemmel kell lenni, hogy a különféle célpiacokra eltérő szabványok szerint kell végezni ezeket a megfelelőségi vizsgálatokat. A korábban már említett eszközökön (elsősorban a programozható terheléseken) kívül néhány Keysight-termékre hívjuk fel a figyelmet: a PA220xA IntegraVision Power Analyzer (komplex teljesítményelektronikai jelelemző) műszerre, amely a 2015. évben kategóriájában elnyerte az „Electronics Products” szaklap által odaítélt „Az év terméke” díjat, valamint a 3497xA mérésadatgyűjtőket. Végül kiemeljük a „BenchVue” szoftveralkalmazást, amely – a teljes körű műszervezérlésen felül – a mérési eredmények átfogó elemzésére és kiértékelésére ad hasznos támogatást.

Természetesen egy ilyen rövid tudósítás nem vállalhatja el az egyes fázisokhoz tartozó, alapos prezentációk részleteinek visszaadását, de a gondolatmenet főbb lépéseivel talán felkelthetjük az érdeklődést a jövőbeni hasonló rendezvények iránt.

^[1] Gondoljunk csak az utóbbi időkben hallott hírekre a „robbanó akkumulátoros” mobiltelefon-szériákra: a hibás vagy a feladatnak nem megfelelően választott alkatrészek miatt drága készülékek akár sok ezer példányát kell visszahívni, amely a csere közvetlen gazdasági kárain túl pénzben kifejezhetetlen presztízs- és bizalomvesztést is okoz a gyártónak.

Tóth Ferenc

Még több H TEST