高频开关电源系统效率测量的不确定度评定

2022-02-10王世琦李勇李耿于卫东赵腾飞

计算机与网络 2022年23期

王世琦李勇李耿于卫东赵腾飞

摘要：简述了高频开关电源系统效率测量的原理和经典的测量方法。针对该测量方法和测试系统的特点，系统地总结了该电源系统效率测量过程中存在的各种误差修正项和不确定度，同时给出了各项不确定度的评定方法。分析计算得出了高频开关电源系统效率测量过程中存在的各项标准不确定度、合成不确定度和扩展不确定度。给出了工程测试实例，验证了该电源系统效率测量的不确定度评定的有效性和可行性。

关键词：高频开关电源系统；系统效率测量；标准不确定度；合成不确定度；扩展不确定度；不确定度评定

中图分类号：TN86文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）23-50-4

0引言

在工业设备、电力系统、邮电通信和军事装备等行业，广泛应用着大功率高频开关电源，其性能好坏直接关系到被供电系统的稳定性、可靠性以及各项输出性能。随着电力电子行业的快速发展，高频开关电源[1]以其控制灵活、效率高和體积小等特点，占据了很大的市场份额。随着高频开关电源技术的飞速发展，早期的硅整流直流操作电源系统已被高频开关直流操作电源系统取代。智能高频开关电源系统[2]集控制技术、计算机技术和通信技术于一体，在电力系统中发挥着至关重要的作用。通信用高频开关电源系统采用了先进的微处理控制技术和高频开关电源技术，适用于电力载波、移动通信、程控交换机、光纤通信、微波通信及其他电信通信用于无人值守的电源设备。

完整的高频开关电源系统由交流配电单元、整流模块、直流配电单元、蓄电池组以及监控系统5部分组成。交流配电单元为高频开关电源系统提供交流电源；整流模块将交流电转变成稳定的直流电；直流配电单元是该电源系统的直流输出部分；蓄电池组为电源系统提供存储的能源；监控系统用于实时监测和控制高频开关电源系统的正常运行，其中包括三相交流供电状态、整流模块的整流、电流、电压模块以及蓄电池组等的运行状态。

高频开关电源通常采用大功率半导体器件作为开关元件，主要目的是实现输出电压稳定、功率因数矫正以及输出电流快速精准控制等，并兼具谐波治理和电磁干扰抑制等功能。评价一个开关电源系统的主要指标是电源系统的转换效率，而电源系统效率的测量不确定度对结果影响比较大。电源系统效率是指输出功率与输入功率之比，是电源系统无线电计量的主要参数之一，用来衡量电源系统的能量利用率和交/直流的转换效率。系统效率显然与交流输入有功功率和直流输出电压/电流的大小有密切关系，当交流输入功率恒定时，直流输出电压及电流越大，电源系统效率越高。对高频开关电源系统测量的不确定度分析具有一定的代表性，因此，有必要对系统效率测量进行不确定度分析和评定。

1测量原理

电源系统效率测量[3]原理如图1所示。测试电流由接入市电的交流稳压可调电源输出，经数字功率计和电流取样装置连接到高频开关电源系统，并监测输入端的交流电压和功率。该系统的输出端经数字存储示波器和直流电流测试装置连接到可调节纯阻性负载上，并监测输出端的直流电压和电流。

2建立数学模型

标准不确定度是以标准差表示的测量不确定度，分为2类：

（1）A类标准不确定度

A类标准不确定度[4-5]评定是对在规定测量条件下测得的量值，用统计分析的方法进行测量不确定度分量的评定，由一组观测得到的频率分布导出的概率密度函数得到。重复测量引入的不确定度，采用A类标准不确定度评定。

（2）B类标准不确定度

B类标准不确定度[4-5]评定是用不同于A类不确定度评定的方法对测量不确定度分量进行的评定，由一个假定的概率密度函数得到，此函数基于对一个事件发生的信任程度。

以下2种原因引入的不确定度，采用B类标准不确定度评定：

①功率分析仪的示值误差引入的不确定度；

②功率分析仪的分辨力误差引入的不确定度。

3标准不确定度评定

被测系统直流输出电压额定值为50 V，50%负载电流额定值为5 A，系统效率额定值为92.5%，在以上条件下分析被测系统效率不确定度。

（1）由功率分析仪测量重复性引入的不确定度评估采用统计方法计算标准不确定度。直流电压测量示值如表1所示。

6结束语

本文针对高频开关电源系统效率测量的不确定度问题，结合测量实例，对测量电源系统的交流输入功率和直流输出电压及电流等误差来源进行了分析，给出了高频开关电源系统效率测量结果的不确定度评定方法，评估了系统效率测量的各种不确定度。分析结果表明，该不确定度评定方法实用严谨，分析详实全面，评估结果准确度高，具有较高的参考价值，同时，也能指导广大工程技术人员的测量工作。

此测量方法可推广到各种电源系统[15-22]效率测量的不确定度评定中，具有广泛的推广价值。