測試是最復(fù)雜，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)試對于提高產(chǎn)品的可靠性，通過“白盒”方法分析其內(nèi)部行為起著根本性的作用，那么在重要性方面，功能測試無疑是最相關(guān)的，能夠驗證是否已滿足并正確實(shí)施了每個應(yīng)用程序并評估產(chǎn)品的整體效率。在任何電子領(lǐng)域，效率都扮演著越來越重要的角色，其目的是通過開發(fā)具有更好的熱管理，更低的功率吸收，更長的壽命和可靠性的應(yīng)用來減少能量損失。測試自動化在解決這些關(guān)鍵問題和擴(kuò)大測試覆蓋范圍方面起著根本性的作用，

效率測試

效率在大功率電氣應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用，在大功率電氣應(yīng)用中，必須管理從幾千瓦到幾十兆瓦的功率。正如我們在前面的文章中已經(jīng)看到的那樣，電力電子學(xué)包括各個領(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。必須正確測試連接到網(wǎng)格的所有設(shè)備，以確保可以取用電源而不會對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成不必要或意外的影響。絕大多數(shù)測試都集中在這些方面，以及評估可將功率傳輸?shù)较拇罅抗β实墓I(yè)設(shè)備，電器和其他設(shè)備的效率的能力。

同樣重要的是變頻電源應(yīng)用，其中包括電動汽車，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涂煽靠捎霉β实妮敵錾希粗嗳弧Ｇ疤崾谴嬖谀軌蛘{(diào)節(jié)功率并改變其頻率的復(fù)雜控制系統(tǒng)。

考慮到單位時間內(nèi)發(fā)生的大量電力傳輸以及將功率損耗最小化的需求（在許多情況下，這也是法規(guī)規(guī)定的義務(wù)），效率在所有這些情況下都起著重要的作用。在電動汽車中，鑒于可以存儲在電池中的能量有限，因此有必要充分利用可用電量，以最大化車輛的續(xù)航里程或性能，例如巡航速度。即使不能完全達(dá)到相當(dāng)于效率100％的最佳條件，由于使用了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），取得了巨大的進(jìn)步通過減少功率損耗和散熱。效率測量可以表征電池下游的所有特性，從而幫助電子設(shè)計人員開發(fā)可以盡可能高效地傳輸功率的設(shè)計。

另一個重要的例子是使用可再生資源的清潔能源生產(chǎn)系統(tǒng)。在這種情況下，功率會定期發(fā)生從可再生能源到電網(wǎng)的傳輸，因此，減少甚至最小的能量損耗，最大化系統(tǒng)效率就變得至關(guān)重要。

使用LabVIEW測試效率

例如，請考慮設(shè)計為向電網(wǎng)提供從可再生資源獲得的最高15MVA功率的風(fēng)力渦輪機(jī)（其模型如圖1所示）。此類系統(tǒng)的效率在世界上最強(qiáng)大的可再生能源測試設(shè)施（代表電網(wǎng)研究創(chuàng)新與發(fā)展的Duke Energy eGRID）中進(jìn)行了測試，能夠在受控且可控的環(huán)境中測試原型的機(jī)械和電氣特性。校準(zhǔn)的環(huán)境，然后再將其部署到實(shí)際的網(wǎng)格上。

圖1：將在15MVA電網(wǎng)模擬器中測試的風(fēng)力渦輪機(jī)原型

15 MW電網(wǎng)模擬器包括不同的電氣組件，包括NI硬件和與LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件結(jié)合的FPGA，從而獲得了能夠進(jìn)行真正的硬件在環(huán)（HIL）控制的系統(tǒng)。FPGA和LabVIEW Real-Time模塊具有確定性，因此可以為DAQ，通信和控制提供靈活而可靠的系統(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。牽引逆變器就是一個很好的例子。功率和效率測量與記錄示例。該VI應(yīng)用程序演示了如何使用可同時在八個通道上采樣的NI DAQmx硬件在牽引逆變器上實(shí)現(xiàn)功率測量和效率。本示例測量牽引逆變器的直流母線和三相交流輸出側(cè)的電功率參數(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，將對信號進(jìn)行整數(shù)周期處理，這些整數(shù)周期由A相電流通道上的電平觸發(fā)器確定。計算的測量結(jié)果符合IEEE 1459-2010測量標(biāo)準(zhǔn)。

LabVIEW EV牽引力逆變器示例

一旦安裝了LabVIEW Electric Power Toolkit，就可以使用“示例查找器”找到示例（從LabVIEW工具欄中選擇“幫助”，然后選擇“查找示例”。該示例位于“工具包和模塊>電力> EV功率測試”下）。 > Traction Inverter。是Traction Inverter文件夾中的三個之一，它結(jié)合了硬件采集和對采集數(shù)據(jù)的后期分析，其他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，并在采集過程中顯示數(shù)據(jù)，而所有硬件連接設(shè)置都位于該示例的左側(cè)（請參見圖3）。VI可以與不同的硬件驅(qū)動程序一起使用，但是該示例使用DAQmx驅(qū)動程序進(jìn)行硬件連接。對于電壓通道，您具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。當(dāng)前輸入和輸出具有相同的比例計算。

圖3：硬件連接配置

如圖4所示，圖形用戶界面的中間部分具有用于在應(yīng)用程序運(yùn)行時獲取的數(shù)據(jù)的圖表。頂部的圖表用于觸發(fā)信號，底部的兩個圖表用于電壓和電流。

圖4：通道圖

在用戶界面的右側(cè)，我們具有“觸發(fā)器”設(shè)置，以及要計算多少次功率測量的周期數(shù)。下方是有功功率，有效視在功率，非有功功率，功率因數(shù)和逆變器效率測量值。所有這些測量值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)

在圖6所示的框圖中，我們可以看到該應(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。第一個是與硬件建立連接，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集并配置觸發(fā)的位置。一旦識別出滿足觸發(fā)條件的段，這些數(shù)據(jù)段便被發(fā)送到下一個任務(wù)。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。第二項任務(wù)是功率測量分析。它具有一個循環(huán)緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)采用觸發(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

本示例使用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)是記錄在采集過程中收集的所有原始數(shù)據(jù)以及執(zhí)行的所有計算。

圖7：三相3線有效電壓計算

可以對此類示例進(jìn)行定制和修改，以滿足用戶自己的電力應(yīng)用需求。所使用的所有功能都是開放的且可修改的，因此，如果需要，可以使用不同的計算方法。通過使用LabVIEW，還可以將功率測量和分析與其他傳感器進(jìn)行同步，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，可以通過使用寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體（例如碳化硅和氮化鎵）來實(shí)現(xiàn)效率的重要提高。除了提高效率外，SiC和GaN在熱管理方面也具有挑戰(zhàn)性，因為它們具有較高的結(jié)溫，同時在管芯上占據(jù)的空間較小。與WBG材料相比，基于硅的器件效率較低，結(jié)溫更低，并且發(fā)熱量更高。相反，寬帶隙半導(dǎo)體效率更高，結(jié)溫更高，發(fā)熱量更少。此外，它們的面積最多可以減小75％，這意味著可以增加熱通量。測試效率是一個復(fù)雜的主題，在測試熱效率和WBG半導(dǎo)體時可能會變得復(fù)雜。基于WBG的設(shè)備可以以更高的頻率開關(guān)，可以在更高的溫度下工作并且泄漏電流比硅低，因此其測試需要更高的電壓和更大的電流測量靈敏度。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，以及用于表征較高頻率下的部件性能并分析其性能和效率的電源分析軟件。

編輯：hfy