Ermittlung des Sättigungsverhaltens in Abhängigkeit von der Vormagnetisierung Induktivitätsmessung an Leistungsdrosseln

Messungen in der Praxis

Da bislang Induktivitätsmessgeräte nach dem di/dt-Messverfahren nicht im Markt sind, wurde der „Power Choke Tester DPG10“ entwickelt (siehe Aufmacherfoto; Hersteller: www.ed-k.de). Das Gerät arbeitet nach dem di/dt-Messverfahren und verfügt über drei Strombereiche, mit denen Mess-Ströme von etwa 0,05 bis 1000 A generierbar sind. Damit ist auch das Sättigungsverhalten sehr großer Induktivitäten messbar.

Die Spannung des Messimpulses kann von 10 bis 400 V eingestellt werden. So lässt sich jede Induktivität mit einer Mess-Spannung „versorgen“, wie sie auch in der realen Anwendung anliegt (z.B. hat eine Glättungsdrossel im Netzumrichterausgang rund 400 V, eine Glättungsdrossel im 5-V-Ausgang eines AC/DC-Wandlers rund 20 V). Zusätzlich kann auch die Dauer des Messimpulses vor-eingestellt werden, was z.B. bei der Messung von Spannungs-Zeit-Flächen sinnvoll ist.

Die maximal mögliche Impulsenergie ist durch die interne Kondensatorbatterie, welche den Mess-Strom liefert, beschränkt. Sie beträgt bei maximaler Mess-Spannung bis zu 800 J. Dies ist auch für sehr große Leistungsdrosseln leicht ausreichend. Vor jeder Induktivitätsmessung wird zudem der ohmsche Widerstand automatisch gemessen und angezeigt.

Die Bedienung des Messgeräts und die Anzeige der Ergebnisse erfolgt per PC; das Messprotokoll enthält den Induktivitätsverlauf in Abhängigkeit vom Strom als Diagramm und in tabellarischer Form.

Bild 7 zeigt den Induktivitätsverlauf der PFC-Drossel aus Bild 6. Diese Drossel weist beim Scheitelwert des Nennstroms von 135 A × 1,41 = 190 A eine Induktivität von 156 μH auf. Der reale Spitzenstrom in der Applikation ist jedoch aufgrund des überlagerten Strom-Ripples nochmals um etwa 30 A höher. Die Induktivität beträgt dann nur noch 127 μH und ist damit schon 33 % unter dem angegebenen Nennwert von 190 μH. Für den Schaltungsentwickler bedeutet dies, dass der Spitzenstrom in seiner Applikation größer ist als kalkuliert und somit evtl. die Auslegung der Leistungshalbleiter nicht mehr ausreicht, so dass die Netzrückwirkungen und die Verluste ansteigen. Aus Entwickler-Sicht ist die Drossel mit diesem Sättigungsverhalten nicht tragbar. ha

Es gibt prinzipiell zwei verschiedene Messverfahren: das Festfrequenzverfahren und das di/dt-Verfahren. Beim Festfrequenzverfahren wird der Prüfling mit einem entsprechenden Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle beaufschlagt. Dem wird eine sinusförmige Kleinsignal-Messspannung von z.B. 10 kHz überlagert und aus der Amplitude und der Phasenlage des gemessenen Stromes die Induktivität errechnet (Bild 3).

Der Vorteil des Verfahrens ist, dass die Messfrequenz genau und reproduzierbar festgelegt ist. Nachteilig ist jedoch, dass die Messbedingungen mit den Anwendungsbedingungen wenig zu tun haben, da die Drossel dort nicht mit einem sinusförmigen Kleinspannungs-Signal fester Frequenz beaufschlagt wird, sondern mit einer rechteckförmigen Spannung, welche einen entsprechenden Gehalt an harmonischen Oberschwingungen mit einem Vielfachen der Taktfrequenz aufweist.

Des Weiteren ist eine entsprechend leistungsfähige Gleichstromquelle notwendig, welche bei größeren Strömen (über 20 A) sehr teuer wird. Um eine Messkurve des Induktivitätsverlaufes über der Gleichstromvormagnetisierung zu erstellen, müssen sehr viele Einzelmessungen bei verschiedenen Strömen durchgeführt werden.

Bei diesem Verfahren wird der Prüfling mit einem rechteckförmigen Spannungsimpuls wie in der realen Applikation beaufschlagt. Im Prüfling stellt sich dann ein Stromverlauf ein, dessen Anstiegsgeschwindigkeit di/dt von der Induktivität und deren Sättigungsverhalten abhängt. Wenn der voreingestellte Maximalstrom erreicht ist, wird der Messimpuls wieder beendet (Bild 4).

Durch die Auswertung des Verlaufes der Anstiegsgeschwindigkeit di/dt des Mess-Stroms kann mit einer einzigen Messung eine komplette Induktivitätskurve für den Prüfling erstellt werden, die den Induktivitätsverlauf in Abhängigkeit von der Gleichstromvormagnetisierung darstellt. Wenn die Spannung des Messimpulses der Spannung entspricht, die in der realen Applikation am Prüfling anliegt, dann wird auch die Frequenzabhängigkeit des Ergebnisses einer Festfrequenzmessung eliminiert. Ein weiterer Vorteil liegt in der impulsförmigen Messung, da die Stromquelle den Mess-Strom nicht dauerhaft liefern muss und deshalb durch eine entsprechende Kondensatorbank nachgebildet werden kann. Dies spart erheblich Kosten und Bauvolumen.