測試是最復(fù)雜和最關(guān)鍵的部分之一 任何新產(chǎn)品或系統(tǒng)開發(fā)過程。如果調(diào)試在提高產(chǎn)品的可靠性方面起著根本性的作用，通過“白盒”方法分析其內(nèi)部行為，那么功能測試無疑是最重要的，能夠驗證每個應(yīng)用程序要求是否已被覆蓋并正確實施并評估產(chǎn)品的整體效率。在任何電子行業(yè)，效率都扮演著越來越重要的角色，目的是通過開發(fā)具有更好熱管理、更低功率吸收、更長壽命和可靠性的應(yīng)用來減少能量損失。測試自動化在解決這些關(guān)鍵問題和增加測試覆蓋范圍方面發(fā)揮著重要作用，

測試效率

效率在大功率電氣應(yīng)用中扮演著重要的角色，其中需要管理從幾千瓦到幾十兆瓦的功率。正如我們在之前的文章中已經(jīng)看到的，電力電子包括各種感興趣的領(lǐng)域，例如電動汽車 (EV) 的設(shè)計、相關(guān)的電池充電系統(tǒng)和電網(wǎng)應(yīng)用。

如今，電網(wǎng)是一個非常整合的行業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施。所有連接到電網(wǎng)的設(shè)備都必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏y試，以確?？梢栽诓唤o網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施造成不必要或意外影響的情況下提取電力。絕大多數(shù)測試都專注于這些方面，以及評估將電力傳輸?shù)焦I(yè)設(shè)備、電器和其他消耗大量電力的設(shè)備的效率的能力。

同樣重要的是變頻電源應(yīng)用，包括電動汽車、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和智能電網(wǎng)應(yīng)用。所有這些應(yīng)用的共同因素是能夠?qū)⒖勺冾l率產(chǎn)生的功率傳輸?shù)骄哂幸阎铱煽靠捎霉β实妮敵龆?，反之亦然。這以能夠調(diào)節(jié)功率和修改其頻率的復(fù)雜控制系統(tǒng)的存在為前提。

考慮到單位時間內(nèi)發(fā)生的大量電力傳輸以及需要（在許多情況下也是法規(guī)規(guī)定的義務(wù)）最大限度地減少電力損失，效率在所有這些情況下都發(fā)揮著相關(guān)作用。在電動汽車中，由于可存儲到電池中的能量有限，因此有必要充分利用可用電力，以最大限度地提高車輛的行駛里程或性能，例如巡航速度。即使對應(yīng)于 100% 效率的最佳條件無法完全實現(xiàn)，由于使用能夠提供非常高效率值的制造技術(shù)和材料（例如氮化鎵和碳化硅），已經(jīng)取得了巨大進步通過減少功率損耗和散熱。效率測量允許表征電池下游的一切，幫助電子設(shè)計師開發(fā)可以盡可能有效地傳輸功率的設(shè)計。

另一個重要的例子是基于使用可再生能源的清潔能源生產(chǎn)系統(tǒng)。在這種情況下，電力會定期從可再生能源傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，因此減少甚至最小的能量損失變得至關(guān)重要，從而最大限度地提高系統(tǒng)效率。

使用LabVIEW測試效率

例如，考慮風(fēng)力渦輪機（其模型如圖 1所示）設(shè)計用于向電網(wǎng)提供從可再生能源獲得的高達 15MVA 的電力。像這樣的系統(tǒng)的效率在世界上最強大的可再生能源測試設(shè)施（杜克能源 eGRID，代表電網(wǎng)研究創(chuàng)新與發(fā)展）中進行了測試，能夠在受控和在實際網(wǎng)格上部署之前校準(zhǔn)環(huán)境。

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15 MW 電網(wǎng)模擬器由不同的電氣組件組成，包括 NI 硬件和 FPGA，并結(jié)合 LabVIEW 系統(tǒng)設(shè)計軟件，從而獲得能夠?qū)崿F(xiàn)真正硬件在環(huán) (HIL) 控制的系統(tǒng)。FPGA 和 LabVIEW 實時模塊的確定性特性為 DAQ、通信和控制提供了靈活可靠的系統(tǒng)。

在LabVIEW的電力工具包提供了所有需要建立自己的能效測試的功能，而且還配備了預(yù)建的例子是讓你快速入門。一個很好的例子是牽引逆變器功率和效率測量和記錄示例。該 VI 應(yīng)用程序演示了如何使用可同時在 8 個通道上采樣的 NI DAQmx 硬件對牽引逆變器進行功率測量和效率測量。本示例測量牽引逆變器直流鏈路和三相交流輸出側(cè)的電力參數(shù)，例如有功功率。為了獲得更高的精度和與電角度的相關(guān)性，信號以由 A 相電流通道上的電平觸發(fā)器確定的整數(shù)周期塊進行處理。計算測量符合 IEEE 1459-2010 測量標(biāo)準(zhǔn)。

LabVIEW EV牽引逆變器示例

安裝LabVIEW電力工具包后，可以使用Example Finder找到該示例（從LabVIEW工具欄，選擇“Help”，然后選擇“Find Examples”。該示例位于Toolkits and Modules > Electrical Power > EV Power Test > Traction Inverter. 它是 Traction Inverter 文件夾中的三個之一，它結(jié)合了硬件采集和采集數(shù)據(jù)的后期分析。另外兩個示例分別顯示了這些任務(wù)（圖 2）。

圖 2：如何選擇牽引逆變器示例

圖形用戶界面顯示所有必要的配置設(shè)置并在采集期間顯示數(shù)據(jù)，而所有硬件連接設(shè)置都位于此示例的左側(cè)（參見圖 3）。該 VI 可與不同的硬件驅(qū)動程序一起使用，但該示例是使用 DAQmx 驅(qū)動程序構(gòu)建的，以實現(xiàn)硬件連接。對于電壓通道，您有電壓輸入范圍和預(yù)期電壓輸出范圍，它們會在圖表中為您生成該比例。電流輸入和輸出具有相同的縮放計算。

圖3：硬件連接配置

如圖 4所示，圖形用戶界面的中間部分是應(yīng)用程序運行時獲取的數(shù)據(jù)圖表。上面的圖表是觸發(fā)信號，下面的兩個是電壓和電流。

圖 4：通道圖

在用戶界面的右側(cè)，我們有觸發(fā)設(shè)置以及您想要計算功率測量的周期數(shù)。下面是有功功率、有效視在功率、無功功率、功率因數(shù)和逆變器效率測量。所有這些測量結(jié)果都記錄到您選擇的位置的文件中（圖 5）。

圖 5：用戶界面的右側(cè)

在框圖中，如圖 6所示，我們可以看到應(yīng)用程序的所有邏輯。應(yīng)用程序的三個主要任務(wù)分為三個主要部分。第一個是連接到硬件、執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和配置觸發(fā)。一旦識別出滿足觸發(fā)條件的段，這些數(shù)據(jù)段就會被發(fā)送到下一個任務(wù)。在發(fā)生這種情況時，所有原始數(shù)據(jù)仍在流式傳輸和記錄。第二個任務(wù)是功率測量分析。這具有一個循環(huán)緩沖區(qū)，它接收觸發(fā)的段并執(zhí)行功率和效率計算。三相功率測量使用功率函數(shù)計算，直流功率測量使用直流功率函數(shù)計算，效率使用效率函數(shù)計算。

圖 6：框圖

此示例使用 3 相 3 線輸入設(shè)置（圖 7），但也可以設(shè)置為使用 1 相 1 通道或 3 相 4 線輸入設(shè)置。最后的任務(wù)是記錄采集期間收集的所有原始數(shù)據(jù)和執(zhí)行的所有計算。

圖 7：3 相 3 線有效電壓計算

可以定制和修改此類示例以滿足用戶自己的電力應(yīng)用需求。所有使用的函數(shù)都是開放的和可修改的，因此如果需要，可以使用不同的計算方法。通過使用 LabVIEW，還可以與其他傳感器同步功率測量和分析，以了解整個系統(tǒng)如何影響效率。

電力電子效率

在電力電子應(yīng)用中，通過使用寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，例如碳化硅和氮化鎵，可以實現(xiàn)效率的重要提高。除了提高效率之外，SiC 和 GaN 還對熱管理具有挑戰(zhàn)性，因為它們具有更高的結(jié)溫，同時占用的芯片空間更小。與 WBG 材料相比，硅基器件效率較低，結(jié)溫較低，并且產(chǎn)生更多熱量。相反，寬帶隙半導(dǎo)體效率更高，結(jié)溫更高，產(chǎn)生的熱量更少。此外，它們的面積最多可以減少 75%，這意味著可以增加熱通量。測試效率是一個復(fù)雜的話題，在測試熱效率和 WBG 半導(dǎo)體時會變得復(fù)雜。基于 WBG 的設(shè)備可以在更高的頻率下切換，可以在更高的溫度下工作，并且比硅具有更低的泄漏，因此它們的測試需要更高的電壓和更高的電流測量靈敏度。開關(guān)電源 (SMPS) 是 WBG 器件的首批電源應(yīng)用之一，需要高頻和高性能工具以及用于表征更高頻率下的組件行為并分析其性能和效率的電源分析軟件。

　　審核編輯：湯梓紅