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Messtechnik f. Konverter-/Inverterdesign

Das „magische Quadrat“ der Leistungselektronik

16. April 2021, 11:07 Uhr | Nicole Wörner

Das "magische Quadrat" der Leistungselektronik

Zur Bestimmung und Optimierung der Kenngrößen des „magischen Quadrats“ der Leistungselektronik – Effizienz, EMV-Konformität, Größe/Gewicht und Kosten – ist leistungsfähige Messtechnik unverzichtbar. Siglent sieht sich gut gerüstet.

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Die Bedeutung der Leistungselektronik hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Den aktuellen Trends zufolge wird sich dies auch fortsetzen. Die Gründe dafür sind, dass bei fast allen Trends die Verfügbarkeit und die effiziente Nutzung von elektrischer Energie ein wichtiger Bestandteil ist. Angetrieben durch die globalen Herausforderungen wie Klimaerwärmung und Umweltverschmutzung, finden technische Themen wie erneuerbare Energie und alternative Antriebe große Beachtung.

Darüber hinaus führt die immer weiter zunehmende Mobilität und die explodierende Anzahl drahtlos kommunizierender IoT-Geräte zu immer mehr batteriebetriebenen Endgeräten. Das „magische Quadrat“ der Leistungselektronik besteht aus Effizienz, EMV-Konformität, Größe/Gewicht und Kosten.

Das „magische Quadrat“ bestimmen

Um die Kenngrößen des „magischen Quadrats“ bestimmen und optimieren zu können, braucht der Entwickler leistungsstarke Messgeräte. Zusätzlich verändern die neuen Technologien die Anforderungen an die Messtechnik. Beides führt zu einer stark wachsenden Nachfrage von Messtechnik zur Analyse von Konverter- bzw. Inverterschaltungen.

So sollte ein Entwicklerplatz aussehen

Die Minimalausstattung eines typischen Entwicklungsplatzes besteht aus einem Oszilloskop mit differentiellen Tastköpfen und Stromzangen, einem Multimeter, einem Labornetzteil (AC oder DC) und einer elektronischen Last (AC oder DC). Ein Spektrumanalysator mit Nahfeldsonden zur entwicklungsbegleitenden Überprüfung der Abstrahlung sollte ebenfalls nicht fehlen.

Siglent hat in den letzten Jahren sein Portfolio stark erweitert und bietet heute ein breites Portfolio an Messgeräten für den Einsatz in der Leistungselektronik an. Die wichtigsten Geräte und Funktionen in Kürze:

Oszilloskope

Die Oszilloskope der Serie SDS2000X Plus und SDS5000X bieten neben einer umfangreichen Standardkonfiguration viele weitere Optionen, die sie zu flexiblen Werkzeugen für alle allgemeinen Aufgaben im Labor machen. Mit einer Bandbreite von bis zu 500 MHz (SDS2000X plus) bzw. 1 GHz (SDS5000X) decken sie Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik ab.

Beide Serien haben eine Bode-Plot-Funktion integriert. Bode-Diagramme werden in der Leistungselektronik eingesetzt, um die Phasen- und Amplitudenreserve von rückgekoppelten Regelsystemen zu messen. Damit lässt sich die Stabilität des Designs bestimmen.

Beide Serien verfügen außerdem über eine Leistungsanalyse-Option. Die Option unterstützt den Entwickler durch die Automatisierung der Standardmessungen zur Bestimmung der Eigenschaften bestimmt werden. Zusammen mit Siglents Stromzangen und Differenzspannungstastköpfen ist diese Option ein Muss für die Optimierung von SMPS-Designs.

Lasten

Zur Analyse des Lastsprungverhaltens wird der Laststrom zwischen z.B. 10% und 90% des Maximalstroms sprunghaft geändert und parallel die Reaktion des Netzteils mit dem Oszilloskop aufgezeichnet. Diese Sprünge können sehr einfach mit elektronischen DC-Lasten hergestellt werden.

Die Lasten von Siglent (SDL1000X) sind für Eingangsspannungen bzw. -ströme bis zu 150 V bzw. 30 A ausgelegt und in einer 200- und einer 300-Watt-Version erhältlich. Die Lasten können ebenfalls im Rahmen von Batterietests eingesetzt werden und bei der Leistungsbestimmung dieser helfen.

Multimeter

Multimeter werden meist zusammen mit Messspitzen benutzt, um in der Schaltung Spannungswerte zu prüfen. Hier besteht die Gefahr, dass versehentlich mit der Messspitze Kurzschlüsse erzeugt werden. Zur Vermeidung könnte der Entwickler Messpunkte im Schaltungsdesign einplanen. Bei Verwendung eines Multimeters mit Multiplexer, wie das Siglent SDM3065X-SC, können alle Messpunkte angeschlossen und die Messungen einfach durch Umschalten am Gerät erfasst werden. Es können auch Temperatursensoren verwendet und somit auch gleichzeitig noch die temperaturkritischen Teile überwacht werden.

Spektrumanalysatoren

Die Spektrumanalysatoren von Siglent (SSA3000X plus) punkten mit einem starken Preis-Leistungsverhältnis und sind mit dem optionalen EMV-Messpaket bestens geeignet für entwicklungsbegleitende Abstrahlungsmessungen.

Das EMV-Messpaket, bestehend aus EMI-Softwarelizenz und einem Satz Nahfeldsonden ist derzeit noch bis 31. Juli 2021 zum Sonderpaketpreis erhältlich.