專利名稱：用于待測功率器件的零安培電平電流數據校正的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及測量來自待測器件的電流，并且更具體地涉及利用電流傳感器校正待測功率器件的電流數據。
背景技術：
諸如羅高斯基(Rogowski)線圈、空心線圈等的電流傳感器由于其柔順性而適合于檢測大的電流。大的電流有時候由粗的金屬母線承載。如果金屬母線被雜亂地用金屬線捆扎，則難以將母線的希望測試的線路定位在用于借助電流傳感器檢測通過該線路的電流的位置。柔性的羅高斯基線圈允許用戶形成圍繞待測線路的環。
圖I是具有可用于電流探針的羅高斯基線圈12和積分器電路20的電流傳感器22的示意性方框圖。羅高斯基線圈12具有由導線制成的檢測線圈11和導電回線9。導線的一部分以環的形式形成，以產生檢測線圈11。回線9具有連接至檢測線圈11的環端12b的一端9b，并通過檢測線圈11的中心折回至檢測線圈11的環始端12a。檢測線圈11的環始端12a與回線9的自由端9a靠近地定位。另外，當用戶進行測量時，檢測線圈11的端部12a和12b布置成物理地靠攏在一起，使得檢測線圈11構成圍繞待測線路10的磁性閉環。檢測線圈11的環始端12a耦聯至通常具有電阻器14、電容器16和運算放大器18的積分器電路20。導電回線9的自由端9a耦聯至地。在待測線路10中流動的電流Ip產生在羅高斯基線圈12中感生電壓的磁通。如果電流Ip的頻率變得較高，則感生電壓也變得較高。當電流Ip的頻率提高時，積分器電路20通過降低積分器電路20的增益而維持平坦的頻率特性。Howell等人的美國專利7，598，724和Kato的美國專利6，885，183公開了羅高斯基線圈的一些應用。圖2是示出用于測量電流信號的羅高斯基線圈傳感器70的使用的待測器件的局部示意圖。圖2中的待測器件是在用于驅動電感負載或三相電機46的逆變器電路系統中的IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)40。逆變器電路系統具有多個IGBT 30、32、34、36、38和40，所述多個IGBT 30、32、34、36、38和40具有各自的續流二極管50、52、54、56、58和60。由于三相電機46為電感負載，所以其以電感儲存能量，并且再生穿過續流二極管50、52、54、56、58和60的續流電流(flywheel current)。電源48向逆變器電路系統提供功率。PWM(脈寬調制)控制器44經由總線耦聯至IGBT驅動器42，以提供PWM控制信號。IGBT驅動器42向IGBT 30、32、34、36、38和40提供柵極驅動電壓。根據PWM控制信號調制柵極驅動電壓的脈沖寬度。差分探針62的正和負輸入分別耦聯至IGBT 40的集電極和發射極，以檢測集電極與發射極之間的電壓Vee。差分探針62的輸出可連接至數字示波器66的第一通道(CHl)。差分探針64的正和負輸入分別耦聯至IGBT 40的柵極和發射極，以檢測柵極與發射極之間的電壓Vge或柵極驅動電壓。差分探針64的輸出可連接至示波器66的第三通道(CH3)。電流探針68可使用羅高斯基線圈70和積分器電路72，以檢測IGBT 40的發射極電流Ie。電流探針68的輸出耦聯至示波器的第二通道(CH2)。數字示波器66從待測器件接收電流和電壓信號，并且為作為波形顯示而存儲作為數字數據的信號。圖3示出示波器66的三個通道的電壓和電流波形。橫軸和豎軸分別為幅度和時間。顯示區A的時間軸比顯示區B的時間軸長。也就是說，顯示區B的電壓和電流波形是在顯示區A中由方框74指示的電壓和電流波形部分的放大形式。CHl和CH2的電壓和電流波形的每個脈沖示出在上升沿處的電涌。圖4示出與圖3的顯示區A對應的三個通道的電壓和電流波形，其中豎軸相對于圖3的顯示區A的豎軸被放大。圖4所示的第二通道的電流波形具有正半周期和負半周期。電流波形示出在正半周期期間流入IGBT 40的發射極的電流，其是利用脈寬調制來導通和關斷IGBT40的柵極驅動電壓的結果。在負半周期期間，電流通過續流二極管60被汲取至電機46。再次參考圖4的第二通道的電流波形，箭頭76指示在顯示區中的波形的左端處的電流波形的零安培電平。圖4表明的是，由于積分器電路72中的積分過程不是理想的，所以電流波形的零安培電平有波動。波動導致功率的測量誤差。例如，參考圖3，當柵極驅動 電壓低時，IGBT 40關斷，并且于是集電極-發射極電壓Vre為高，并且發射極電流Ie應為零。也就是說，當IGBT 40關斷時，IGBT的功率損失或者VmX Ie應為零。然而，功率損失VceXIe由于波動誤差可顯示為某一值。諸如利用羅高斯基線圈的電流探針之類的AC型電流探針不能檢測電流信號中的DC分量。需要的是即使不能檢測DC分量也能在零安培電平處抵消波動分量的設備和方法。
發明內容
本發明是一種用于校正與來自待測器件的電流信號對應的電流數據樣本的設備。設備具有第一采集電路系統，其接收來自待測器件的電流信號，用于產生與電流信號對應的電流數據樣本；以及第二采集電路系統，其接收來自待測器件的、與電流信號對應的電壓信號，用于產生與電壓信號對應的電壓數據樣本。該設備具有控制器，其接收電流數據樣本和電壓數據樣本并提取表示電流數據樣本與零安培電平的偏差的電流波動數據樣本，該電流波動數據樣本對應于待測器件的關斷周期，通過在電壓數據樣本中檢測待測器件的相應的關斷周期得到該待測器件的關斷周期，通過內插與待測器件的關斷周期對應的電流波動數據樣本產生與待測器件的導通周期對應的電流波動數據樣本，從表示電流信號的電流數據樣本減去與待測器件的關斷周期和導通周期對應的電流波動數據樣本以產生校正的零安培電平電流數據樣本，以及利用該校正的零安培電平電流數據值產生波形顯示。設備還可具有用戶接口，用于為檢測待測器件中的關斷周期而指定電壓數據樣本的閾值電壓電平。以上設備提供一種平臺，用于實現對表示來自待測器件的電流信號的電流數據樣本進行校正的方法。該方法包括利用耦聯至待測器件的電流傳感器接收電流信號并產生表示來自待測器件的電流信號的電流數據樣本的步驟。利用電壓探針接收與來自待測器件的電流信號對應的電壓信號，并產生表示電壓信號的電壓數據樣本。借助與待測器件的關斷周期對應的電流波動數據樣本提取表示電流數據樣本與零安培電平的偏差的電流波動數據樣本，通過檢測在電壓數據樣本中的待測器件的相應的關斷周期得到所述待測器件的關斷周期。內插待測器件的關斷周期的電流波動數據樣本，以產生與待測器件的導通周期對應的電流波動數據樣本。從表示電流信號的電流數據樣本減去與待測器件的關斷周期和導通周期對應的電流波動數據樣本，以產生校正的零安培電平電流數據樣本，其中校正的零安培電平電流數據樣本被顯示。電流樣本校正方法具有附加步驟指定圍繞校正的零安培電平電流數據樣本的零安培電平的誤差抵消范圍；以及通過將在誤差抵消范圍內的校正的零安培電平電流數據樣本變成零來修改校正的零安培電平電流數據樣本。當結合所附權利要求和附圖閱讀時，本發明的目的、優點和新穎特征從以下的詳細說明變得顯而易見。
圖I是利用具有積分器的羅高斯基線圈的傳統電流傳感器。圖2是用于驅動電機的逆變器電路系統和用示波器測量IGBT的電流與電壓的配置的方框圖。圖3示出根據圖2的測量配置的IGBT的被測電流和電壓的波形。圖4示出在圖3的顯示區A中顯示的被測電流和電壓的波形，其中豎軸相對于圖3的顯示區A的豎軸被放大。圖5是根據本發明的用于校正待測器件的電流測量的諸如示波器的測量設備的方框圖。圖6是圖示了功能的方框圖，這些功能由根據本發明的用于校正待測器件的電流測量的測量設備控制器執行。圖7是根據本發明的用于校正待測器件的電流測量的流程圖。圖8示出具有零安培電平電流波動的電流波形和表示零安培電平電流波動數據樣本的電流波形。圖9示出具有校正的零安培電平的校正的電流波形。
具體實施例方式圖5是根據本發明的用于校正待測器件(DUT)Sl的電流測量的示波器80的方框圖。示波器80具有多個輸入通道CHl、CH2、CH3和CH4，每個輸入通道具有采集電路系統82CH1,82CH2,82CH3和82_。每個采集電路82^82^82CH3和82CH4的輸出耦聯至控制器83。控制器83耦聯至I/O電路系統84、存儲器85、諸如液晶顯示器、陰極射線管等等的顯示設備86和諸如硬盤驅動器、手指U盤(thumb drive)、光盤等等的大容量存儲設備89。大容量存儲設備可存儲用于操作示波器80的程序指令以及用于根據本發明的執行對待測器件(DUT)81的電流測量進行校正的步驟的程序指令。諸如圖2的逆變器電路系統的DUT81經由信號采集探針88i、882和883耦聯至輸入通道82em、82εΗ2、82.，所述信號采集探針88i、882和883分別對應于圖2中的差分探針62、電流探針68和差分探針64。通道采集電路系統82,820^82.和82_中的每個均示意性地包括輸入調節電路系統，諸如輸入放大器、模數轉換電路系統、支持采集存儲器的觸發電路系統等等。支持采集存儲器可以是存儲器85的一部分。采集電路系統820^820^82.和82ra4運行以將來自DUT81的信號中的一個或多個信號數字化，從而產生適合于由控制器83使用的一個或多個相應的數字數據樣本流。采集電路系統820^820^82.和82_響應于從控制器83接收的命令，改變觸發條件、抽取器(decimator)功能及其他與采集相關的參數。采集電路系統82CH1,82CH2,82CH3和82eH4中的每個將其各自的數字數據樣本流耦聯至控制器83。控制器83包括處理器電路系統、支持電路系統和存儲器，以處理接收的數字數據樣本流，從而為在顯示設備86上的呈現產生波形數據。處理器電路系統與支持電路系統(諸如電源、時鐘電路、高速緩沖存儲器等等)以及輔助執行存儲在存儲器85中的軟件例程的電路協同工作。同樣地，設想在此作為軟件過程討論的有些過程步驟可在硬件(例如作為與處理器電路系統協同工作以執行各種步驟的電路系統)內實現。控制器83還與輸入/輸出(I/O)電路系統84接口。例如，I/O電路系統84可包括鍵盤、點擊設備(pointingdevice)、觸摸屏或適合于提供用戶輸入和到控制器83的輸出的其他裝置 。控制器83響應于這樣的用戶輸入使采集電路系統82,82,82.和82eH4的操作適合于執行連同其他功能一道的各種數據采集、觸發、處理和顯示通信。存儲器85可包括連同其他易失性存儲器一道的諸如SRAM、DRAM的易失性存儲器。存儲器85還可包括非易失性存儲器設備，其中諸如磁盤驅動器或磁帶介質，或者可編程存儲器，其中諸如EPR0M。盡管圖5的控制器83被描繪成被編程為執行根據本發明的各種控制功能的通用計算機，但本發明可在諸如例如專用集成電路(ASIC)的硬件中實現。同樣地，如在此描述的處理器電路系統意在被寬泛地解釋成等同地由硬件、軟件或它們的組合實現。參考圖6，示出了來自圖5的示波器80的方框圖，該圖在控制器83的處理器電路系統方框87中具有處理方框，以圖示根據本發明的用于校正待測器件(DUT)Sl的電流測量的步驟。圖6中的示波器80示出CHl采集電路系統82em，其經由與圖2中的探針62對應的差分電壓探針88i接收電壓信號。CH2采集電路系統82^2從與圖2中的探針68對應的電流探針882接收電流信號。CH3采集電路系統82.從與圖2中的探針64對應的差分電壓探針883接收電流信號。每個電壓和電流信號被放大、數字化并作為電壓數據樣本或電流數據樣本存儲在每個相應的采集電路系統820^82^.82.的循環緩沖存儲器中。參考圖7，示出了表示根據本發明的用于校正待測器件的電流測量的步驟的流程圖。如由步驟202所示，當滿足觸發條件時，根據觸發信號在相應的循環緩沖存儲器中的每個內獲取在相應的采集電路系統820^820^82.中的每個內產生的相應電壓數據樣本和電流數據樣本。獲取的電壓數據樣本和電流數據樣本耦聯至控制器83并存儲在存儲器85中。如步驟204所示，閾值電平電壓V,ef可由用戶通過顯示在顯示器86上的用戶接口 97指定或者通過檢索先前存儲的閾值電平電壓VMf而指定。可為IGBT40的集電極與發射極之間的電壓L或者柵極與發射極之間的柵極驅動電壓Vge指定閾值電平VMf，以確定IGBT40的導通或關斷周期。電流數據樣本和電壓數據樣本被提供給圖6中的提取方框96，用于從獲取的電流數據樣本提取電流波動數據樣本。電流波動數據樣本對應于IGBT40的關斷周期和導通周期，并表示電流數據樣本與零安培電平的偏差。如步驟206所示，通過檢測Vra或Vge電壓數據樣本的相應的關斷周期得到電流數據樣本的關斷周期的電流波動數據樣本。優選地，檢測電壓或的每個關斷周期的中心部分，并提取關斷周期電流數據樣本的對應部分作為電流波動數據樣本。如圖3所示，關斷周期的電流信號對應于具有電流波動的零安培電平。關斷周期的電流波動數據樣本被提供給圖6中的內插方框98，用于提取IGBT40的導通周期的零安培電平電流波動數據樣本。如圖3所示，導通周期的電流數據樣本取值高，使得無法提取電流信號的DC分量。如步驟208所示，sin (x) /x函數可用于關斷周期電流波動數據樣本，以產生導通周期電流波動數據樣本。替代性地，為導通周期而對關斷周期的電流波動數據樣本進行插值，其方式為簡單地用直線連接關斷周期的電流波動數據樣本。圖8示出在IGBT40的發射極處的具有零安培電平電流波動的電流波形110和表示電流波動數據樣本的電流波形112。關斷周期和導通周期電流波動數據樣本連同表示IGBT40的發射極處的電流信號的電流數據樣本一起被提供給減法方框100。如步驟210所示并代表性地由圖9中校正的電流波形114示出的，減法方框100從初始電流數據樣本減去關斷周期和導通周期的零安培電平電流波動數據樣本，以產生校正電流數據樣本。校正的零安培電平電流數據樣本可存儲在存儲器85中，用于通過控制器83的進一步處理或如判定步驟212所示地在顯示器86上顯示為波形。 校正的零安培電平電流數據樣本有時具有白噪聲和/或偏移誤差。白噪聲主要是由于具有積分器電路64的電流傳感器62的噪聲和數字不波器71的內部噪聲。偏移誤差主要是由于內插的導通周期的零安培電流波動數據樣本可能不是理想的。為了抵消噪聲和/或偏移誤差，用戶可如由步驟214中所示，通過用戶接口 97指定圍繞零安培電平的噪聲抵消范圍Ncr。例如，噪聲抵消范圍Ncr可以是圍繞零安培電平的電流幅度的+/-5%。然而，這取決于待測器件的特性。可利用絕對值Nacr指定噪聲抵消范圍Ncr,也就是說，Ncr是從-Nacr至+Nacr。在該情況下,噪聲/偏移的抵消電流數據Y為Y = y X IF (y > Nacr, I, O) +y x IF (y < -Nacr, 1,0)“y”表示校正的零安培電平電流數據樣本。“IF(y > Nacr, 1,0) ”意思是如果y >Nacr為真,則y為1，不然的話，則y為O。“IF(y < -Nacr, 1,0) ”類似。如步驟216所示，該過程將噪聲抵消范圍Ncr內的校正的零安培電平電流數據樣本修改為零，以抵消圍繞零電平的白噪聲和/或偏移誤差。然后，計算功率方框104如步驟218所不，根據存儲在大容量存儲設備89中的程序，通過使Ie數據與Vra數據相乘來計算功率。例如，可通過使Ie數據與Vce數據相乘來評估IGBT40的導電功率損失。導電功率損失由于集電極-發射極電壓Vm即使在導通周期期間也不為零而引起。應指出的是，由于校正的零安培電平電流數據樣本得到校正，所以能更精確地評估導電功率損失。此外，將在關斷周期期間的校正零安培電平電流數據樣本修改成零。計算的功率值和修改的校正零安培電平電流數據樣本可如步驟220所示顯示在顯示器86的屏幕上。盡管已描述了特定的實施例，但應意識到的是，本發明的原理不局限于那些實施例。在不偏離如在所附權利要求中提出的本發明的原理的情況下可作出變化和變型。
權利要求
1.一種用于校正表示來自待測器件的電流信號的電流數據樣本的方法，包括步驟 利用耦聯至所述待測器件的電流傳感器接收所述電流信號并產生表示來自所述待測器件的所述電流信號的電流數據樣本； 利用電壓探針接收與來自所述待測器件的所述電流信號對應的電壓信號并產生表示所述電壓信號的電壓數據樣本； 提取表示所述電流數據樣本與零安培電平的偏差的電流波動數據樣本，所述電流波動數據樣本與所述待測器件的關斷周期對應，通過在所述電壓數據樣本中檢測所述待測器件相應的關斷周期得到所述待測器件的關斷周期； 內插所述待測器件的所述關斷周期的所述電流波動數據樣本，用于產生與所述待測器件的導通周期對應的電流波動數據樣本； 從表示所述電流信號的所述電流數據樣本減去與所述待測器件的所述關斷周期和導通周期對應的所述電流波動數據樣本，以產生校正的零安培電平電流數據樣本；以及利用所述校正的零安培電平電流數據樣本產生波形顯示。
2.根據權利要求I所述的用于校正表示來自待測器件的電流信號的電流數據樣本的方法，還包括步驟 指定圍繞所述校正的零安培電平電流數據樣本的零安培電平的誤差抵消范圍；以及通過將在所述誤差抵消范圍內的所述校正的零安培電平電流數據樣本變成零來修改所述校正的零安培電平電流數據樣本。
3.一種用于校正表示來自待測器件的電流信號的電流數據樣本的設備，包括 第一采集電路系統，其接收來自所述待測器件的所述電流信號并產生表示所述電流信號的電流數據樣本； 第二采集電路系統，其接收來自所述待測器件的、與所述電流信號對應的電壓信號并產生表示所述電壓信號的電壓數據樣本；以及 控制器，其接收所述電流數據樣本和電壓數據樣本并提取表示所述電流數據樣本與零安培電平的偏差的電流波動數據，所述電流波動數據樣本與所述待測器件的關斷周期對應，通過在所述電壓數據樣本中檢測所述待測器件相應的關斷周期得到所述待測器件的關斷周期，通過內插與所述待測器件的所述關斷周期對應的所述電流波動數據樣本產生與所述待測器件的導通周期對應的電流波動數據樣本，從表示所述電流信號的電流數據樣本減去與所述待測器件的所述關斷周期和所述導通周期對應的所述電流波動數據樣本以產生校正的零安培電平電流數據樣本，和利用所述校正的零安培電平電流數據樣本產生波形顯示。
4.根據權利要求3所述的用于校正表示來自待測器件的電流信號的電流數據樣本的設備，還包括用戶接口，用于為檢測所述待測器件中的所述關斷周期而指定所述電壓數據樣本的閾值電壓電平。
全文摘要
設備和方法校正電流信號中的零安培電平電流波動。第一和第二采集電路系統產生電流信號相應的電流和電壓數據樣本。提取表示電流信號的零安培電平偏差的電流波動數據樣本以與電流信號的關斷周期對應。內插關斷周期的電流波動數據樣本以產生表示電流信號的導通周期的零安培電平偏差的電流波動數據樣本。從電流信號的電流數據樣本減去關斷周期和導通周期的電流波動數據樣本以產生校正的零安培電平電流數據樣本。
文檔編號G01R15/18GK102645567SQ20111033677
公開日2012年8月22日 申請日期2011年10月21日 優先權日2010年10月21日
發明者T·米亞扎基 申請人:特克特朗尼克公司