功率电感器关键参数自动测量装置

曾智强 董纪清

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

功率电感器是目前开关电源电路中应用最广泛的磁件之一。功率电感器的关键参数包括了电感的温升电流、直流电阻、直流损耗等。目前，完成全部参数的测量需要多种仪器和电路组合，并且需要人工实时调整测试系统。由于温升电流属于惯性系统，每次测试时需要不断的调整测量电路参数，测量状态稳定后才能得到测量参数，所以测量需要耗费大量的人力、物力。本系统可以实现功率电感器关键参数的快速、准确测量，提高磁心生产厂家测试高频参数的效率，同时也可以为高频磁心使用者，如电源生产厂家和研发单位等提供高频磁心参数测量数据。

1 系统设计总方案

该测量装置以PIC16F877A 单片机为控制核心，主要由采样单元、可编程直流源、电感测试平台、显示单元、环路反馈控制单元、上位机通信单元这六部分组成。本设计所要测量的功率电感器的关键参数包括了温升电流、直流电阻和直流损耗。整个系统的工作过程是用一台可编程直流源给电感通以直流电流，然后再通过电流采样、电压采样、温度采样将其送入PIC16F877A 单片机中进行A/D 转化，处理后再控制液晶实时显示通过电感的电流、两端的电压、电阻以及温升，同时与PC 机进行通信。国际上通用的IEC 标准规定用测量直流电流的方法来衡量高频电感的温升，而电流的大小需要环路反馈控制单元采用PID 算法给出。如图1为电感关键参数测量装置总结构框图。

图1 系统总体方框图

2 电路部分

2.1 电压采样模块

由于功率电感器的工作频率较高，绕组匝数少，所以它的直流电阻为毫欧级别，两端的电压信号很小，需要对其进行放大处理。对于微弱电压信号的采样，抑制噪声和干扰，提高采样精度和分辨率是非常关键的。如图2所示为电压采样单元，主要分为三个部分。第一部分为电压跟随器，其输入电阻高、输出电阻低可以解决输入阻抗不平衡的问题。同时，为了使负载不影响滤波特性，在输出端也增加了一个电压跟随器。第二部分为差分放大电路，它对共模噪声具有很强的抑制作用，并且能减小运放的温漂。第三部分为放大电路，提高了对电压信号的放大能力。根据图2所示电路可以得到

根据上述电压采样单元的设计，取合适的电阻值使得电压采样单元的额定放大倍数为100 倍。利用saber 对电压放大模块进行仿真，其结果如图3所示。其放大效果曲线的特性符合设计要求。

图2 电压采样模块

图3 电压放大模块仿真曲线

2.2 电流采样模块

考虑到本系统所测量的温升电流为直流电流且最大电流可达到70A 左右，不适合用采样电阻的方法进行采样，否则温升会影响阻值产生变化并且损耗过大，故采用霍尔电流传感器对电流进行采样。本设计选择的电流传感器型号为：LEM LTS 25-NP，其额定电流为25A。它具有测量精度高、过载能力强、测量范围广、响应速度快、体积小、重量轻的优点。输出电压的计算公式为

式中，Ip为如图4所示为Proteus 的电流采样仿真结果。

图4 电流采样仿真结果

2.3 温度采样模块

功率电感器磁心温度的测量方法：工程上为了方便起见一般选用磁心的顶部中心位置作为测量点，有的时候也在磁心表面选择几个点，测量各点的温度，然后求其平均值作为磁心的温度。本系统的温度采样选择max6675 和K 型热电偶进行接触式测温。热电偶可将温度量转换成电量进行检测，对于温度的测量、控制，以及对温度信号的放大、变换等都很方便，可弯曲安装。MAX6675 将K 型热电偶中的模拟信号转化为12 位数字信号供单片机读取，温度值与数字量的对应关系为

图5为MAX6675 的典型应用电路。图6为Proteus 的温度采样仿真电路。

图5 MAX6675 的典型应用电路

图6 MAX6675 的仿真电路

3 软件部分

图7 主程序工作流程图

系统的软件结构主要由1 个主程序和6 个子程序（电压、电流采样子程序、读温度子程序、D/A转化子程序、LCD 显示子程序、PID 计算及控制子程序、上位机通信子程序）组成。流程图如图7所 示。工作流程：系统上电后，主程序先作系统初始化，接着分别调用数据采集子程序、PID 计算（图8）及控制子程序和LCD 显示子程序、上位机通信子程序等操作，如此周而复始地循环工作。图9为电感温升控制器的PID 控制原理图。

图8 PID 算法工作流程图

图9 电感温升控制器的PID 控制原理图

4 结果测试

利用VB 编写一个人机界面，可以显示电流、电压、温度以及直流电阻等功率电感器的关键参数。当直流电流I流过电感时，电感两端的电压为U，则电感的损耗皆为直流损耗，其大小为：P=U×I。旁边的实时曲线图，可以实时监测温度随时间的变化情况。如图10 所示，采用某知电感公司生产的HCF1305 型号电感作为测试对象，环境温度为24℃， 温升基准值设置为36℃，则功率电感器的表面温度应升高到60℃。一开始由于由于系统中温度的调整远远滞后于电流的调整，所以在前面温度变化不明显，随后经过PID 调整后很快（大约在150s 的时候）便达到基准值，并保持不变。在700s 的时候将电流源断开，功率电感器的温度便又降为环境温度。

图10 上位机界面

5 结论

本系统的硬件设计和软件的设计已基本完成，设计并制作了一套功率电感器关键参数测量的样机，可以实现电感温升电流、直流损耗、直流电阻等关键参数的全自动、快速和精确的测试，具有友好的人机后台处理界面，能够实时地将系统测量数据显示给测量者，方便测量者对测量过程以及测量的数据实时监控。

[1] 江和.PIC16 系列单片机C 程序设计与PROTEUS 仿真[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2010.

[2] 刘国伟.高频磁性元器件损耗分析及电感温升电流测量装置的研究[D].福建: 福州大学,2011.

[3] 刘畅生,宣宗强,雷振压,等.传感器简明手册及应用电路—温度传感器分册(上册)[M].西安: 西安电子科技大学出版社,2005.

[4] 李智华,罗恒廉,费鸿俊.直流偏置对功率铁氧体损耗影响的计算[J].电工电能新技术,2002,21(3): 41-43.

[5] 丁道宏,赵修科.实用电源技术手册磁性元器件分册[M].辽宁: 辽宁科学技术出版社,2002.

[6] Jon S.Wilson.传感器技术手册.(林龙信,邓彬,张鼎,刘齐军,等译)[M].北京: 人民邮电出版社,2009.

[7] 孔剑虹,何湘宁,钱照明,等.功率变换器电感在直流偏置或矩形波激励时磁损问题研究[J].电工技术学报,2005,20(5): 13-19.