王世琦 李勇 李耿 于衛(wèi)東 趙騰飛

摘要：簡述了高頻開關(guān)電源系統(tǒng)效率測量的原理和經(jīng)典的測量方法。針對該測量方法和測試系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)地總結(jié)了該電源系統(tǒng)效率測量過程中存在的各種誤差修正項(xiàng)和不確定度，同時給出了各項(xiàng)不確定度的評定方法。分析計(jì)算得出了高頻開關(guān)電源系統(tǒng)效率測量過程中存在的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、合成不確定度和擴(kuò)展不確定度。給出了工程測試實(shí)例，驗(yàn)證了該電源系統(tǒng)效率測量的不確定度評定的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)電源系統(tǒng)；系統(tǒng)效率測量；標(biāo)準(zhǔn)不確定度；合成不確定度；擴(kuò)展不確定度；不確定度評定

中圖分類號：TN86文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）23-50-4

0引言

在工業(yè)設(shè)備、電力系統(tǒng)、郵電通信和軍事裝備等行業(yè)，廣泛應(yīng)用著大功率高頻開關(guān)電源，其性能好壞直接關(guān)系到被供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及各項(xiàng)輸出性能。隨著電力電子行業(yè)的快速發(fā)展，高頻開關(guān)電源[1]以其控制靈活、效率高和體積小等特點(diǎn)，占據(jù)了很大的市場份額。隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)的飛速發(fā)展，早期的硅整流直流操作電源系統(tǒng)已被高頻開關(guān)直流操作電源系統(tǒng)取代。智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)[2]集控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)于一體，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通信用高頻開關(guān)電源系統(tǒng)采用了先進(jìn)的微處理控制技術(shù)和高頻開關(guān)電源技術(shù)，適用于電力載波、移動通信、程控交換機(jī)、光纖通信、微波通信及其他電信通信用于無人值守的電源設(shè)備。

完整的高頻開關(guān)電源系統(tǒng)由交流配電單元、整流模塊、直流配電單元、蓄電池組以及監(jiān)控系統(tǒng)5部分組成。交流配電單元為高頻開關(guān)電源系統(tǒng)提供交流電源；整流模塊將交流電轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的直流電；直流配電單元是該電源系統(tǒng)的直流輸出部分；蓄電池組為電源系統(tǒng)提供存儲的能源；監(jiān)控系統(tǒng)用于實(shí)時監(jiān)測和控制高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其中包括三相交流供電狀態(tài)、整流模塊的整流、電流、電壓模塊以及蓄電池組等的運(yùn)行狀態(tài)。

高頻開關(guān)電源通常采用大功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，主要目的是實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定、功率因數(shù)矯正以及輸出電流快速精準(zhǔn)控制等，并兼具諧波治理和電磁干擾抑制等功能。評價一個開關(guān)電源系統(tǒng)的主要指標(biāo)是電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，而電源系統(tǒng)效率的測量不確定度對結(jié)果影響比較大。電源系統(tǒng)效率是指輸出功率與輸入功率之比，是電源系統(tǒng)無線電計(jì)量的主要參數(shù)之一，用來衡量電源系統(tǒng)的能量利用率和交/直流的轉(zhuǎn)換效率。系統(tǒng)效率顯然與交流輸入有功功率和直流輸出電壓/電流的大小有密切關(guān)系，當(dāng)交流輸入功率恒定時，直流輸出電壓及電流越大，電源系統(tǒng)效率越高。對高頻開關(guān)電源系統(tǒng)測量的不確定度分析具有一定的代表性，因此，有必要對系統(tǒng)效率測量進(jìn)行不確定度分析和評定。

1測量原理

電源系統(tǒng)效率測量[3]原理如圖1所示。測試電流由接入市電的交流穩(wěn)壓可調(diào)電源輸出，經(jīng)數(shù)字功率計(jì)和電流取樣裝置連接到高頻開關(guān)電源系統(tǒng)，并監(jiān)測輸入端的交流電壓和功率。該系統(tǒng)的輸出端經(jīng)數(shù)字存儲示波器和直流電流測試裝置連接到可調(diào)節(jié)純阻性負(fù)載上，并監(jiān)測輸出端的直流電壓和電流。

2建立數(shù)學(xué)模型

標(biāo)準(zhǔn)不確定度是以標(biāo)準(zhǔn)差表示的測量不確定度，分為2類：

（1）A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度[4-5]評定是對在規(guī)定測量條件下測得的量值，用統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行測量不確定度分量的評定，由一組觀測得到的頻率分布導(dǎo)出的概率密度函數(shù)得到。重復(fù)測量引入的不確定度，采用A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定。

（2）B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度[4-5]評定是用不同于A類不確定度評定的方法對測量不確定度分量進(jìn)行的評定，由一個假定的概率密度函數(shù)得到，此函數(shù)基于對一個事件發(fā)生的信任程度。

以下2種原因引入的不確定度，采用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定：

①功率分析儀的示值誤差引入的不確定度；

②功率分析儀的分辨力誤差引入的不確定度。

3標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

被測系統(tǒng)直流輸出電壓額定值為50 V，50%負(fù)載電流額定值為5 A，系統(tǒng)效率額定值為92.5%，在以上條件下分析被測系統(tǒng)效率不確定度。

（1）由功率分析儀測量重復(fù)性引入的不確定度評估采用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度。直流電壓測量示值如表1所示。

6結(jié)束語

本文針對高頻開關(guān)電源系統(tǒng)效率測量的不確定度問題，結(jié)合測量實(shí)例，對測量電源系統(tǒng)的交流輸入功率和直流輸出電壓及電流等誤差來源進(jìn)行了分析，給出了高頻開關(guān)電源系統(tǒng)效率測量結(jié)果的不確定度評定方法，評估了系統(tǒng)效率測量的各種不確定度。分析結(jié)果表明，該不確定度評定方法實(shí)用嚴(yán)謹(jǐn)，分析詳實(shí)全面，評估結(jié)果準(zhǔn)確度高，具有較高的參考價值，同時，也能指導(dǎo)廣大工程技術(shù)人員的測量工作。

此測量方法可推廣到各種電源系統(tǒng)[15-22]效率測量的不確定度評定中，具有廣泛的推廣價值。

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