清洁能源推动着大功率转换/逆变系统的应用

能源和环境是未来人类非常重视的两个方面，能源的产生、消耗也将朝着更加清洁、更加高效的方向发展。如过去电能主要来自于火力发电，核能发电等，这类发电方式往往会带来比较大的环境污染，所以很多国家尤其是发达国家一直在寻找可替代的清洁能源，如风能，太阳能，水能等。据统计，在1980年，通过风能产生的电能大概有3000万千瓦时，而到2012年，大概有4460亿千瓦时，可见，清洁能源在未来生活中将会成为主要的电能来源；混合动力汽车的诞生，电车的使用等，也趋向于使用电能代替汽油等能源，从而极大的减小交通工具排出的大量尾气对环境的污染；此外，各类电器也倾向于使用变频方式，如变频空调，变频洗衣机，变频烘干机等等，世界各国的政府也在逐渐发布一系列规定强制要求相关电子设备使用变频方式以提升效率，节省能量，这也大大的普及了变频电机在电子设备中的使用，据统计，有45%的电能是被电机消耗掉的，大到电梯、冰箱、洗衣机、小到玩具、手表等均有不同类型的电机存在。

总的来说，人类对能源的产生和消耗方式将推动着以下几个市场和应用实现突发猛进的发展和变革：

1、分布式发电和分布式能源（太阳能/风能等）

下图1所示为传统的电力电网示意图，电厂发电方式主要是核能、煤电、天然气、水电等，电厂集中产生电力，电力只在一个方向上传输和分布，从电厂到*终用户；电力电网工作在50/60Hz 频率，所有电压转换使用“芯/线圈” 变压器，电网的阻抗需要进行合适的监管，以提供其稳定性。而且传统电厂的电能难以被存储，所以很难实现供给和需求的瞬间平衡，通常是通过降低或者提升输出电压来调节实时需求。

下图2所示为2010年代及将来的电力系统电网，电能的产生变得更加“分布式” 且不再受到电厂的控制，即电网的电力来源不仅仅是电厂，还来自于各种各样“分布式”发电设备，如太阳能发电、风力发电、短期存储的电能等，发电将变得更加间隙和不可预测，发电设备将广泛分布在电网的各个环节中。电能实现了双向传输，既有电厂向*终用户端传输电能，也有从*终用户端向电厂传输电能。如图所示，大功率转换、逆变系统（DC/AC，AC/AC，AC/DC）大量的存在于电网中，一方面为通过新的清洁能源的发电设备提供逆变转换，另外一方面通过大量的功率转换系统维持系统电网的稳定性。

2、电动或者混合动力推进系统的汽车

电动或者混合动力汽车将因其使用电能、减少污染而日渐受到消费者和政府的青睐。通过逆变系统将存储好的电能通过逆变器转换为动能并分配给电机，带动电机的运转。而且，汽车中也有大量的电子设备（如再生制动、音响、视频、娱乐系统等）也需要不同幅值的直流电压，也需要进行电压的转换。如下图3所示为一混合动力汽车的示意图，包含有电池、电机、DC/DC、DC/AC（取决于电机的输入是交流还是直流）等功率转换模块。

3、变频电机在能源消费领域的广泛使用

通过使用变频电机，可以提升电子产品的效率，减少能源的损失。一方面政府会逐渐有相关规定，要求电子产品使用变频方式，另外一方面由于各种类型的电机逐渐得到了非常广泛的使用，所以成本也逐渐降低，从而也促使消费者倾向于选择省电的而且价格也不是特别昂贵的采用变频方式的电子产品。未来变频电机的使用领域将更为广泛，传统的皮带式传动将逐渐被电机所取代，电梯、电动汽车、混合动力汽车、空调、冰箱、干燥机、咖啡机、水泵等多种多样各行各业的产品中均将会用到电机。

清洁能源驱动下的大功率转换/逆变系统及其对测试的需求

随着能源产生和消费方式的变革，功率转换/逆变系统也逐渐产生了变化，从过去以MOSFET管为主的小于1000W、小于400V的低功率管转向以IGBT管为主的大于1000W、大于1200V的高功率管的转换，大功率系统的输入和输出也从单相电向三相电转换，功率转换系统也变得更加复杂（由单个功率管系统向多个功率管系统转换）。下图4所示为一个典型的大功率转换系统。输入为三相（包括三路输入电压和输入电流），经过6脉冲输入实现整流和AC-DC转换以后变成直流DC总线电压（包括一路电压和一路电流），功率转换系统（具有6个功率管，包含有输入电压信号、控制信号、驱动信号）将DC信号转换为三相信号进行输出（具有三路输出电压和三路输出电流）。

上图4所示的功率系统的的测试和验证将至少需要8通道示波器（多台8通道示波器的交叉触发可以实现更多通道的同时测试）：

1、逆变器部分验证

由于功率管系统具有6个功率管，因此要对上管和下管的门驱动信号(VGE或者VGS)进行同时测试需要6个示波器通道；对上管和下管的导通信号(VCE 或者 VDS ) 的测试也需要6个示波器通道。

2、控制调试和故障排查

该部分测试需要对逆变器部分的控制信号和输出信号进行联合调试，由于功率管系统具有6个功率管，因此要对上管和下管的门驱动信号(VGE或者VGS)进行同时测试需要6个示波器通道；输出为三相电，因此需要6个通道的示波器实现三路电压和三路电流的测量；同时可能还需要1-2个通道实现其它的控制信号，串行数据，传感器，反馈等信号的验证。

3、系统验证和故障排查

该部分测试需要对整个系统的输入输出进行验证测试。包括三相输入的测试，需要6个通道测试三路输入电压和三路输入电流；整流后的DC输出，需要2个通道测试一路电压和一路电流；三相输出的测试，需要6个通道实现三路输出电压和三路输出电流的测试。

力科的8通道/12位的高精度示波器HDO8000系列

力科（Teledyne LeCroy）针对广泛应用于太阳能、风力发电及电动、混合动力汽车中使用的大功率转换系统的测试，推出了具有8个模拟通道、12位、1GHz带宽、2.5GS/s、250MS存储深度、16个数字通道、具有19中串行触发和解码选项的高精度示波器HDO8000系列。

8个模拟通道和16个数字通道可以实现同时观察和测量8路模拟信号和16路数字信号的能力，能够快速的观察和调试信号，分析多通道信号之间的串扰。

1GHz带宽、2.5GS/s采样率不仅可以包括电源系统的测试需求，而且能够满足功率转换系统中的嵌入式控制信号的测试，如I2C，SPI，RS232，ENET，USB等串行控制接口。

12位ADC能够更加充分的观察信号的细节和实现更加精确的测量，能够进一步保证测试的可靠性，从而进一步保证电力电网系统和电动汽车的安全可靠。

250MS的存储深度能够捕获足够长时间的低频电源信号进行充分的整体和细节的分析。

力科的8通道高精度示波器除了为大功率转换系统的测试验证带来了更加理想的方案外，也为多通道精确数据采集、复杂数字系统的上电时序测试、数字电源管理等应用提供了新的方案选择。下图5、图6所示为力科的8通道示波器及其测试结果：

下图6所示为变频（电机）驱动器经历快速的负载变化并*终过载关机的电流信号的使用8bit和12bit示波器的测试对比，图中左下角、右上角、右下角的波形分别为左上角原始波形的局部区域的放大。从图中可见，12bit示波器能够更加清晰的观察电流信号幅值区域以及波动区域的细节，而8bit示波器却出现明显的量化误差。

原创作者：深圳市云帆兴烨科技有限公司