Leistungselektronik entwickeln Mit dem Oszilloskop die Leistung messen und analysieren

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Stromversorgungen müssen effizient sein und gleichzeitig einen sicheren und zuverlässigen Betrieb gewährleisten. Dank höherer Rechenleistung der Oszilloskope sind genauere Messungen und anspruchsvollere Analysen mit dem Oszilloskop möglich.

Die aktuellen Oszilloskope verfügen über zusätzliche Rechenleistung, um die Analysefunktionen für Leistungs- und Motorsteuerungssysteme zu verbessern und Entwicklungsprojekte durch automatisierte Messungen zu beschleunigen. Leistungsmessungen umfassen mehrere Tastköpfe und Berechnungen, was zu komplexen Konfigurationen führen kann. Mit der Analysesoftware moderner Oszilloskope können Ingenieure schnellere und wiederholbare Messungen durchführen. Das Modell MSO der Serie 4B ist ein Oszilloskop mit einem leistungsfähigeren Prozessor, um die Analyse für Entwickler von Leistungswandlern zu beschleunigen.

Leistungsmess- und -analysepakete ermöglichen Messungen an AC/DC- und DC/DC-Wandlern von den Eingangsstufen über die Schaltstufen und Regelkreise bis hin zu den Ausgangsstufen. Ein Beispiel für ein solches Paket ist die Option Advanced Power Measurement and Analysis (4-PWR). Die Software automatisiert den Einrichtungsprozess für wichtige Leistungsmessungen mit Messungen an AC-Leitungseingängen für Frequenz, Effektivspannung und -strom, Scheitelfaktor (Spannung und Strom), Wirk-, Blind- und Scheinleistung, Leistungsfaktor und Phase.

Messungen wie Schaltverluste und magnetische Verluste helfen den Ingenieuren, schrittweise Änderungen vorzunehmen, um mit den neuesten Leistungsbauelementen mit breiter Bandlücke Verbesserungen im Bruchteil eines Prozents zu erzielen. Es ermöglicht auch die In-Circuit-Messung des sicheren Betriebsbereichs (SoA) von Schaltgeräten. Bode-Diagramme helfen dabei, die Stabilität von Stromversorgungsregelkreisen zu bewerten. Der verbaute Prozessor in den Oszilloskopen der Serie 4B beschleunigt die Berechnungen, die diesen Messungen zugrunde liegen. Damit sind schließlich schnellere Aktualisierungsraten möglich.

Messungen unterstützen den Übergang zu Wide-Bandgap-Geräten

Der Übergang von Silizium- zu-Siliziumkarbid- (SiC-) und Galliumnitrid- (GaN-)Schaltelementen hat die Anfor­derungen an die Messsysteme weiter erhöht. Bei diesen Bauelementen ist für eine genaue Beurteilung des Schaltvorgangs eine wesentlich größere Messbandbreite erforderlich, um höhere Anstiegsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Bis vor kurzem waren Schaltmessungen auf der High-Side von Halbbrückenschaltstufen nahezu unmöglich. Jede Messung relativ zum Schaltpunkt unterliegt Verzerrungen aufgrund der hohen Gleichtaktspannungssignale, die auf das Differenzsignal einwirken.

Eine relativ neue Klasse von Tastköpfen nutzt das Prinzip der optischen Isolation, um eine Gleichtaktunterdrückung von 80 dB bei 1 GHz und mehr bei niedrigeren Frequenzen zu erreichen. Das MSO der Serie 4B ist mit optisch isolierten IsoVu-Tastköpfen kompatibel und kann daher Schaltsignale von 100 V/ns oder schneller messen.

Eine spezielle Analysesoftware für Doppelpulstests ist ebenfalls verfügbar, um Entwicklern den Übergang zur Wide-Bandgap-Schaltungstechnologie zu erleichtern. Die Prozessorleistung wird genutzt, um Setups, Messungen und Berechnungen zu automatisieren, die die Entwickler bei der Messung von Schaltparametern und Einschaltwiderständen unterstützen. Darüber hinaus werden Leistungsentwickler bei der Optimierung des Timings und der Bestimmung des Ausschaltverhaltens von Dioden (Reverse Recovery) unterstützt.

Eine 3-Phasen- und Motorantriebsanalyse und das Verdrahtungsschema

Entwickler von Antrieben und Umrichtern stehen vor ähnlichen Herausforderungen. Die meisten modernen Motorantriebssysteme verwenden Pulsweitenmodulation (PWM), um die Frequenz und damit die Drehzahl eines Motors zu steuern. Die Pulsweitenmodulation erschwert eine stabile Messung dieser Signale. Es ist schwierig, manuell die richtige Kombination von Filtern und Triggern zu bestimmen, um stabile Signale zu erhalten. Allerdings ist das eine Voraussetzung für konsistente Messungen.

Sie haben oft dreiphasige Ausgänge, was den Anschluss und die Einrichtung erschweren kann. Das Verdrahtungsschema bestimmt die in der Leistungsanalyse verwendeten Berechnungen. Daher ist es wichtig, das richtige Verdrahtungsschema zu verstehen und auszuwählen, um die erwarteten Ergebnisse zu erhalten. Diese Konfigurationen gelten sowohl für die Eingänge als auch für die Ausgänge von Motorantrieben. Falsche Abtastung des Motorantriebssystems und mangelhafte Integrität der Verbindungen sind häufige Fehlerquellen bei der Durchführung von Messungen an Motorantrieben.

Einen umfassenden Überblick über ein Motorantriebssystem

Neben der Messung der Ausgangsleistung des Frequenzumrichters sind auch Messungen zur Bewertung der Leistung der Eingangsstufen des Frequenzumrichters, wie Oberschwingungen, Leistung und Leistungsfaktor, wichtig. Es ist möglich, die Rohsignale in ein Tabellenkalku­lationsprogramm oder eine andere Analysesoftware zu exportieren, aber dieser Vorgang ist zeitaufwändig und erfordert eine sorgfältige Berechnung.

Um mit einem Oszilloskop einen guten Überblick über ein Motorantriebssystem zu erhalten, sind daher eine sorgfältige Einrichtung, zuverlässige Signalformen und robuste Messalgorithmen erforderlich, für die eine spezielle Anwendungssoftware entwickelt wurde. Durch die höhere Leistungsfähigkeit der Serie 4B eignet sie sich gut für dreiphasige Messungen an Stromversorgungssystemen und Motorsteuerungen, die bisher nur mit High-End-Oszilloskopen möglich waren.

Sechs Eingänge zum Messen eines 3-Phasen-Systems

Der Ausgang von Motorantrieben und Umrichtern ist oft ein Dreileitersystem, entweder ist kein Neutralleiter vorhanden oder das System ist symmetrisch und es gibt keinen Neutralleiterstrom. Die Leistung in diesen Systemen kann mit nur zwei Spannungs- und zwei Stromkanälen auf Oszilloskopen unter Verwendung der Zwei-Wattmeter-Methode genau gemessen werden. Es werden zwei Spannungs- und zwei Stromkanäle benötigt, wobei die Spannungskanäle von Phase zu Phase verbunden sind und eine der Phasen als Referenz dient. Dies kann mit einem 4-Kanal-Oszilloskop durchgeführt werden.

Für die Eingänge eines industriellen Frequenzumrichters wird jedoch eher ein 4-Leiter-System mit Neutralleiter verwendet. In diesem Fall sollten drei Wattmeter verwendet werden. Die Drei-Wattmeter-Konfiguration erfordert sechs Oszilloskopkanäle: drei für Spannungen und drei für Ströme. Obwohl einige Oszilloskope acht Eingangskanäle bieten, ist das MSO der Serie 4B eines der wenigen professionellen Oszilloskope mit sechs Analogeingängen.

Wie alle Geräte von Tektronix ist die MSO-Serie 4B mit branchenüblichen Befehlsschnittstellen und Standardkommunikationsbussen wie USB und Ethernet ausgestattet. Darüber hinaus bietet die Serie Hochgeschwindigkeits-APIs, Tools und Software zur Optimierung der Testentwicklungszeit und des Durchsatzes. Um die Gerätesteuerung zu vereinfachen, bietet Tektronix Zugang zu nativen Gerätetreibern, die Gerätebefehle in vertraute Konstrukte einer bestimmten Programmiersprache übersetzen. Anwender können zwischen Python, LabVIEW, CVI, MATLAB, C, C#, .NET oder nahezu jeder anderen Sprache wählen und haben freien Zugang zu Tutorials, Skripten, Beispielen und Videos. Darüber hinaus können sie sich in unseren Programmierhandbüchern weiterbilden.

Mehr Rechenleistung verbessert den Entwicklungsprozess

Werkzeuge für Stromwandlermessungen, Doppelpulsmessungen, Präzisionsabtastungen und Dreiphasenmessungen unterstützen Entwickler mit schnellen, wiederholbaren Messungen und helfen ihnen, ihre Projekte schneller auf den Markt zu bringen. Durch die Verbesserung der zugrunde liegenden Rechenleistung von professionellen Oszilloskopen wie die Serie MSO 4B wird die Leistung von High-End-Oszilloskopen auf den Arbeitsplatz des Ingenieurs übertragen, was den Entwicklungsprozess weiter beschleunigt und die Benutzerfreundlichkeit verbessert.

Mixed-Signal-Oszilloskop

Tektronix mit Serie 4 B: bis 1,5 GHz und sechs analoge Kanäle

Doppelpulstest

SiC- und GaN-MOSFETs mit dem Oszilloskop schneller validieren

* Andrea Vinci arbeitet beim Technischen Marketing bei Tektronix.

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