Leistungsmessung Hochspannungsteiler: Die Leistung präzise bei hoher Spannung messen

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Der Hochspannungsteiler VT1005 erweitert die Produktpalette für Leistungsmessungen und ermöglicht in Verbindung mit einem Leistungsanalysator Leistungsmessungen bis 5 kV. Für Hochspannungs- und Hochfrequenzanwendungen mit SiC- und GaN-Halbleitern bietet er eine höhere Genauigkeit als bisher verfügbare Systeme mit differentiellen Tastköpfen. Mit einer Bandbreite von 4 MHz eignet er sich auch für Verlustmessungen an Hochfrequenzspulen und -transformatoren.

Mit der zunehmenden Elektrifizierung unserer Gesellschaft steigt der Bedarf an elektrischer Energie. Mit einer Erhöhung der Systemspannung lässt sich dieser Bedarf decken. Beispiele für solche Anwendungen sind Schnellladestationen für Elektroautos sowie Stromrichter und Halbleitertransformatoren, welche die Flexibilität des Stromnetzes erhöhen und Verluste senken. Für die Entwicklung und Qualitätssicherung solcher Anwendungen sind präzise Messgeräte wie der Power Analyzer PW8001 des japanischen Herstellers Hioki erforderlich. Mit dem Gerät lassen sich Gleichspannungen bis 1.500 V messen. Der Hochspannungsteiler VT1005 bietet die Möglichkeit, Spannungen zwischen 1.500 V und bis zu 5 kV_rms präzise zu messen.

Auf ein Wort: Roy Hali, Hioki Europe

Herr Hali, was genau ist der Hioki VT1005 und wofür wird er verwendet?

Der VT1005 teilt Spannungen bis zu 5 kV_eff auf einen Pegel auf, der an den Eingang eines Power Analyzers oder eines Oszilloskops angeschlossen werden kann. Damit lassen sich Spannungen in Anwendungen exakt messen, in denen die Spannung zu hoch ist, um direkt vom Messgerät gemessen zu werden. Zusammen mit einem Power Analyzer wird der Spannungsteiler zur Messung der Induktorverlustleistung in Hochspannungs-DC/DC-Wandlern und des Wirkungsgrades von Mittelspannungs-Industriemotorantrieben verwendet.

Warum ist der VT1005 besonders für Siliziumkarbid (SiC)-Anwendungen interessant?

SiC-Halbleiter werden bei Frequenzen von 50 bis 100 kHz geschaltet, was viel höher ist als die 5 bis 20 kHz, die für herkömmliche Silizium-Halbleiter verwendet werden. Der VT1005 verfügt über die richtigen Frequenzeigenschaften für die höheren Schaltfrequenzen, während Alternativen wie die HV-Differenzsonde oder der Messwandler dazu nicht in der Lage sind.

Können Sie bitte die Einsatz des Hochspannungsteilers anhand eines Beispiels erläutern?

Ein gutes Beispiel für den Einsatz des Spannungsteilers ist die Messung des Wirkungsgrades der drahtlosen Energieübertragung (WPT), die für Elektrofahrzeuge verwendet wird. Bei dieser Anwendung beträgt die Schaltfrequenz 85 kHz und die Übertragungsspannung von 3 kV, was genau dem Einsatzbereich des VT1005 mit allen Vorteilen entspricht.

Wie schätzen Sie die Entwicklung der Energiemesstechnik in den kommenden Monaten und Jahren ein, insbesondere im Hinblick auf Elektromobilität und regenerative Energieerzeugung?

Wir stehen erst am Anfang des Übergangs von fossilen Brennstoffen zu Elektrizität. Ich denke, dass die Standard-Systemspannung für Elektrofahrzeuge von 400 auf 800 V und schließlich auf 1.200 V steigen wird. Mit einer höheren Systemspannung wird es möglich sein, die Ladezeit zu verkürzen und die Leistung des Antriebsstrangs zu erhöhen. Darüber hinaus werden Elektrofahrzeuge effizienter, und verbesserte Batterien werden zu einer Erhöhung der Reichweite führen.

In fünf Jahren werden Reichweiten von 800 km wahrscheinlich keine Seltenheit mehr sein, und das Aufladen der Batterien auf 80 Prozent ihrer Kapazität wird dann wohl weniger als 15 Minuten dauern. Die größteHerausforderung beim Übergang vom Verbrennungsmotor zum Elektroauto wird die Ladeinfrastruktur sein. Die Zahl der Schnelllader muss mit der Zahl der Elektrofahrzeuge wachsen, und die elektrische Energie für all diese Lader muss zur Verfügung stehen.

Die Ladestationen für Elektroautos könnten in Zukunft beispielsweise auch mit lokalen Batteriespeichern ausgestattet sein, um Nachfragespitzen abzudecken, und in der Nähe der Schnellladestationen werden Wind- und Solarenergieanlagen stehen. All dies wird notwendig, da das Stromnetz nicht für die Zunahme von Ultrafast-Ladestationen ausgelegt ist. Was die erneuerbaren Energien betrifft, so wird es meiner Meinung nach viele Möglichkeiten geben. Diese reichen von großen Wind- und Solarparks auf See und an Land bis hin zu kleinen Solar- und Windenergieanlagen für Bürogebäude und Wohnhäuser.

Neben Batterien, die Energie über einen längeren Zeitraum speichern können, wird es auch notwendig sein, Energiespeicher zu verwenden, um längere Zeiträume ohne Wind- und/oder Sonnenenergie zu überbrücken.

Die Störfestigkeit der verwendeten Messtechnik als wichtiger Faktor

Hochfrequent taktende Maschinen wie Wechselrichter sind immer auch Störquellen. Deshalb ist die Störfestigkeit der verwendeten Messtechnik ein wichtiger Faktor, um den Wirkungsgrad zu bestimmen. Der VT1005 ist unempfindlich gegen Gleichtaktrauschen und gegen hochfrequentes Rauschen. Damit ist selbst in einer stark gestörten Umgebung eine genaue Spannungsmessung möglich. Erreicht wird das Design des VT1005 mit einem potenzialfreien Differenzeingang. Gleichtaktstörungen werden eliminiert, indem das gleiche Störsignal an beiden Eingängen aufgenommen und im Differenzverstärker aufgehoben wird.

Elektronische Geräte mit Halbleitern auf SiC-Basis und noch mehr auf GaN-Basis zeichnen sich durch einen schnellen Spannungsanstieg und -abfall aus. Außerdem werden die Ausgangssignale von hochfrequenten Signalen (Oberwellen) überlagert. Vergleicht man die Ausgangsspannung des VT1005 mit der eines Konkurrenzproduktes, so fällt ein „Ringing-Effekt“ (Überschwingen) auf. Beim VT1005 ist das nicht der Fall (Bild 2). Ein Überschwingen tritt auf, weil die HV-Eingangsimpulse parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten in der Schaltung mit ihrer charakteristischen Frequenz schwingen. Parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten werden durch die verwendeten Bauelemente und das Schaltungslayout verursacht. Der Effekt des Überschwingens muss vermieden werden, da er sich negativ auf die Genauigkeit der Spannungs- und schließlich der Leistungsmessung auswirkt.

Den Wirkungsgrad von Leistungssystemen weiter erhöhen

SiC- und GaN-Halbleiter sind beliebte Schaltelemente, um den Wirkungsgrad von Leistungssystemen weiter zu erhöhen. Die Schaltfrequenz von SiC-Halbleitern beträgt 50 kHz und mehr, GaN-Halbleiter können sogar Werte von bis zu 1 MHz erreichen. Das allerdings erschwert die genaue Berechnung des Wirkungsgrades, da die Genauigkeit über einen weiten Frequenzbereich von DC bis mindestens 1 MHz gewährleistet sein muss. Um eine solch genaue Leistungsmessung zu erreichen, bieten Hioki Leistungsmesssysteme eine hohe Frequenzlinearität. Sie ist von grundlegender Bedeutung für eine gleichbleibend genaue Messung und wiederum essentiell, um höhere Wirkungsgrade zu messen und zu bewerten. Beispielsweise ist für die Messung einer Steigerung des Wirkungsgrads um 0,01 Prozent eine Verstärkungsgenauigkeit von 0,1 Prozent und ein Phasenfehler von weniger als 0,1 Grad erforderlich.

Die Diagramme in Bild 3 zeigen die Verstärkung und den Phasenfehler von drei einzelnen VT1005 und einem dreiphasigen Hochspannungsteiler eines anderen Herstellers. Auffällig ist, dass bei dem Gerät des Mitbewerbers (gestrichelte Linien) die Verstärkungs- und Phasenfehler bei höheren Frequenzen zunehmen. Das weist darauf hin, dass es für Anwendungen mit SiC- oder GaN-Halbleitern ungeeignet ist. Darüber hinaus sind die drei durchgezogenen Linien des VT1005 in beiden Diagrammen fast deckungsgleich, während die drei gestrichelten Linien eines Konkurrenzproduktes deutlich größere Abweichungen aufweisen und zu einer geringeren Genauigkeit führen.

Hioki entwickelt und fertigt sowohl den Hochspannungsteiler VT1005 als auch Stromsensoren, die für die Kombination mit den Leistungsanalysatoren optimiert sind. So kann bei aktivierter Phasenverschiebungskorrektur des Power Analyzers über den gesamten Frequenzbereich eine hohe Genauigkeit sowohl bei der Verstärkung als auch bei der Phasengenauigkeit erreicht werden (Bild 4).

Drahtlose Energieübertragungssysteme und ihr Wirkungsgrad

Die Messung des Wirkungsgrades von drahtlosen Energieübertragungssystemen, auch Wireless Power Transmission (WPT), ist eine Anwendung, die eine genaue Hochspannungsmessung erfordert. Die Ausgangsspannung beträgt in der Regel bis zu 3 kV, da die Übertragung der Leistung bei höherer Spannung die auftretenden Leistungsverluste reduzieren kann. Daher ist eine Hochspannungsmessung für die Berechnung des Wirkungsgrades erforderlich. Bei drahtlosen Übertragungssystemen wird die Leistung über Spulen übertragen. Diese Sende- und Empfangsspulen haben meist einen sehr niedrigen Leistungsfaktor.

Da der Phasenfehler bei sehr niedrigem Leistungsfaktor einen großen Einfluss auf das Messergebnis hat, ist ein kleiner Phasenfehler für die Leistungsberechnung sehr wichtig. Der Messbereich des VT1005 deckt DC bis 4 MHz ab und ermöglicht Spannungsmessungen im erforderlichen Hochfrequenzbereich. Die sehr gute Linearität des Signals und Phasengleichförmigkeit über den gesamten Frequenzbereich ermöglicht zudem eine präzise Leistungsberechnung und damit eine ebenfalls sehr genaue Bewertung des Wirkungsgrades.

Verlustmessung an Hochfrequenz-Drosseln und -Transformatoren

Die Kombination aus dem Hochspannungsteiler VT1005, dem Leistungsanalysator PW8001 und dem Stromsensor CT6904A ist aufgrund ihrer Rauschfestigkeit sowie ihrer Verstärkungs- und Phasengenauigkeit bei hohen Frequenzen die beste Option für die Messung von Hochspannungsverlusten und die Bewertung von Hochfrequenzdrosseln und -transformatoren. Sie kommen unter anderem in Umrichterantrieben und Stromrichtern zum Einsatz, die in integrierten Ladespulen von Elektrofahrzeugen verwendet werden. Mit dieser Kombination können selbst bei Frequenzen von 300 kHz und mehr präzise Verlustmessungen vorgenommen werden.

Mit dem zunehmenden Einsatz von SiC- und GaN-Halbleitern werden Hochfrequenz- und Hochspannungsanwendungen weiter an Bedeutung gewinnen. In diesen Anwendungen werden hochpräzise Messlösungen wie der VT1005 in Verbindung mit Hioki Power Analyzern benötigt, um auch kleinste Effizienzsteigerungen nachweisen zu können.

* Roy Hali ist Head of Product Management bei Hioki Europe.

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