专利摘要

本实用新型涉及一种高频功率测量装置，包括用以采集流经被测件的电流的电流采集器、用以采集被测件两端电压的电压采集器、电流信号处理电路、电压有功分量提取电路以及功率测量电路；电流信号处理电路将流经被测件的电流处理后输出电压无功分量，并将其送入电压有功分量提取电路以提取出电压有功分量，所述功率测量电路根据电压有功分量以及流经被测件的电流计算出被测件的有功功率或者损耗。本实用新型可以解决被测件由于测量阻抗角因素导致测量误差大的问题。

权利要求

1.一种高频功率测量装置，其特征在于，包括用以采集流经被测件的电流的电流采集器、用以采集被测件两端电压的电压采集器、电流信号处理电路、电压有功分量提取电路以及功率测量电路；

所述电压采集器的输出连接至电压有功分量提取电路的输入，所述电流采集器的输出分别与电流信号处理电路、功率测量电路的输入相连，所述电流信号处理电路的输出连接至电压有功分量提取电路的输入，电压有功分量提取电路的输出也连接至功率测量电路的输入。

2.根据权利要求1所述的一种高频功率测量装置，其特征在于，所述电流采集器为电流互感器或者采样电阻。

3.根据权利要求1所述的一种高频功率测量装置，其特征在于，所述电压采集器为电压互感器或电压采样电路。

4.根据权利要求1所述的一种高频功率测量装置，其特征在于，所述电流信号处理电路包括微分电路和比例放大电路；

微分电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2以及第一运放U1；所述电流采集器的输出连接至第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端分别连接至第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端分别连接至第一运放U1的反向输入端、第二电容C2的一端以及第二电阻R2的一端，第一运放的正向输入端经第三电阻R3接地；第二电阻R2的另一端与第二电容C2的另一端相连并连接至第一运放U1的输出端；

比例放大电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及第二运放U2，所述第四电阻R4的一端连接第一运放U1的输出端，第二运放U2的反向输入端分别与第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端相连，第六电阻R6的一端接第二运放U2的正向输入端，另一端接地，第五电阻R5的另一端连接至第二运放U2的输出端，并作为电流信号处理电路的输出端。

5.根据权利要求1所述的一种高频功率测量装置，其特征在于，所述电压有功分量提取电路采用减法器电路，包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及第三运放U3；

第七电阻R7的一端连接电流信号处理电路的输出，第八电阻R8的一端连接电压采集器的输出，所述第七电阻R7的另一端分别与第九电阻R9的一端、运放U3的反向输入端相连，第八电阻R8的另一端分别与第十电阻R10的一端、运放U3的正向输入端相连，第十电阻R10的另一端接地，第九电阻R9的另一端连接至第三运放U3的输出端，并作为电压有功分量提取电路的输出端。

6.根据权利要求1所述的一种高频功率测量装置，其特征在于，所述功率测量电路包括乘法电路以及比例积分运算电路；

所述乘法电路包括乘法器，乘法器的两个输入端分别接电压有功分量提取电路的输出以及电流采集器的输出；

所述比例积分运算电路包括第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三电容C3以及第四运放U4；第十一电阻R11的一端与乘法器的输出端相连，第十一电阻R11的另一端分别与第三电容C3的一端、运放的反向输入端相连，运放的正向输入端经第十二电阻R12接地，第三电容C3的另一端连接第十三电阻R13的一端，第十三电阻R13的另一端连接至第四运放U4的输出端，并作为功率测量电路的输出端。

7.根据权利要求1所述的一种高频功率测量装置，其特征在于，所述被测件为半导体元器件、电阻、磁元件、电容器或是电源设备的输出。

说明书

技术领域

本实用新型涉及高频功率和损耗测量技术领域，特别是一种高频功率测量装置。

背景技术

现有交流功率测量法在测量功率时，被测件的被测电压和电流之间存在相位差，同时在实际测量过程，电压测量通道和电流测量通道由于采样模块和信号传输线路等的原因导致了相位差存在测量误差，即相位差误差。通过分析交流功率测量法的误差来源可知相位差误差会严重影响到交流功率的测量结果，特别是高频工况下，相位差误差引起的功率测量误差非常大，使得交流功率测量法很难用在高频功率领域的测量。

目前，国防领域、舰船装备和航空航天设备中用到的电源系统、常用开关电源、电力系统、照明系统和新能源汽车系统都涉及到交流电功率的精确测量问题；半导体器件、高频磁性元件、高频电容、电阻等元器件的损耗评估也都与交流电功率测量息息相关。常用的交流功率测量方法包括：热点交换法、三参数法、二项式平方法、时分割法、模拟采样法、数值采样法、电功率测量方法。上述常用交流电功率测量法广泛应用于工程测量和计量领域，但是测量频率都不高。

交流功率测量法是目前被广泛采用的电气测量方法，用于测量电子元器件和电气电子设备的损耗或者电功率，通过采集被测件的电压和电流，再根据功率计算公式获得被测件的功率或损耗。该方法简单、快捷，在低频测量领域中广泛应用，在高频应用领域下，此方法的测量精度受电压电流相位差误差影响很大。根据交流功率测量法的误差公式(1),由误差公式可知交流功率测量法的误差来源主要有三个部分，第一部分是电压的测量误差；第二部分是电流的测量误差；第三部分相位差误差。第一部分和第二部分的误差可以通过选择高精度的元器件和电压电流采样电路，以目前的技术这两部分误差可以做到很小，因此该方法的主要误差在于第三项，即相位差误差引起的交流功率测量误差，其中 为被测电压和电流的相位差，也称为被测件的阻抗角， 为相位差误差。

相位差 和被测件的阻抗特性有关，相位差误差 与测量频率、电压和电流测量通道的延时时间有关，频率越高相位差误差越大，第三部分误差就越大，尤其是当被测件的阻抗角较大时，此方法的测量精度对相位差误差是非常敏感的，而实际上电流的采样是通过采样电阻上的电压或采用各种电流传感器获得的，同时采样仪器的电压、电流采样通道的信号传输时间差异，以及大功率连接线的寄生参数都会导致所获得的电流与实际电流之间产生相位差误差，如图1为被测件不同阻抗角情况下，不同相位测量误差引起的误差情况，图中为 0.5°和5°情况下阻抗角0°到90°时的相位测量误差引起误差大小，很明显可以看出阻抗角接近90°时测量误差都非常大。

随着社会需要的进步和科技发展，高频电源和高频元器件的应用越来越普及，特别是宽禁带半导体器件、高频磁性元件和电容器等元器件的广泛应用，其损耗的准确测量极其重要。因此，迫切需要探索频率达到MHz以上的电功率测量方法。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种高频功率测量装置，为解决被测件由于测量阻抗角因素导致测量误差大的问题提供硬件装置。

本实用新型采用以下方案实现：一种高频功率测量装置，包括用以采集流经被测件的电流的电流采集器、用以采集被测件两端电压的电压采集器、电流信号处理电路、电压有功分量提取电路以及功率测量电路；

所述电压采集器的输出连接至电压有功分量提取电路的输入，所述电流采集器的输出分别与电流信号处理电路、功率测量电路的输入相连，所述电流信号处理电路的输出也连接至电压有功分量提取电路的输入，电压有功分量提取电路的输出也连接至功率测量电路的输入；

电流信号处理电路将流经被测件的电流处理后输出电压无功分量，并将其送入电压有功分量提取电路以提取出电压有功分量，所述功率测量电路根据电压有功分量以及流经被测件的电流计算出被测件的有功功率或者损耗。

进一步地，所述电流采集器为电流互感器或者采样电阻。

进一步地，所述电压采集器为电压互感器或电压采样电路。

进一步地，采用模拟电路中的信号处理电路包括微分电路和比例放大电路。

微分电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2以及第一运放U1；所述电流采集器的输出连接至第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端分别连接至第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端分别连接至第一运放的反向输入端、第二电容C2的一端以及第二电阻R2的一端，第一运放的正向输入端经第三电阻R3接地；第二电阻R2的另一端与第二电容C2的另一端相连并连接至第一运放U1的输出端；

比例放大电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及第二运放U2，所述第四电阻R4的一端连接第一运放U1的输出端，第二运放U2的反向输入端分别与第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端相连，第六电阻R6的一端接第二运放U2的正向输入端，另一端接地，第五电阻R5的另一端连接至第二运放U2的输出端，并作为电流信号处理电路的输出端。

进一步地，所述电压有功分量提取电路采用减法器电路，包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及第三运放U3；

第七电阻R7的一端连接电流信号处理电路的输出，第八电阻R8的一端连接电压采集器的输出，所述第七电阻R7的另一端分别与第九电阻R9的一端、运放U3的反向输入端相连，第八电阻R8的另一端分别与第十电阻R10的一端、运放U3的正向输入端相连，第十电阻R10的另一端接地，第九电阻R9的另一端连接至第三运放U3的输出端，并作为电压有功分量提取电路的输出端。

进一步地，所述功率测量电路包括前级的乘法电路以及后级的比例积分运算电路；

所述乘法电路包括乘法器，乘法器的两个输入端分别接电压有功分量提取电路的输出以及电流采集器的输出；

所述比例积分运算电路包括第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三电容C3以及第四运放U4；第十一电阻R11的一端与乘法器的输出端相连，第十一电阻R11的另一端分别与第三电容C3的一端、运放的反向输入端相连，运放的正向输入端经第十二电阻R12接地，第三电容C3的另一端连接第十三电阻R13的一端，第十三电阻R13的另一端连接至第四运放U4的输出端，并作为功率测量电路的输出端。

进一步地，所述被测件为半导体元器件、电阻、磁元件、电容器或是电源设备的输出。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型通过电压有功分量提取电路提取被测电压的有功分量，使得电压有功分量和被测电流的相位差为零或接近零，从而克服了交流功率测量法在测量阻抗角较大的被测件时测量精度受相位差误差影响的问题，即该装置可以实现高频工况下被测件的损耗或电功率，频率可以达到MHz以上。

附图说明

图1为被测件不同阻抗角情况下，不同相位测量误差引起的误差情况。

图2为本实用新型实施例的电路原理示意图。

图3为本实用新型实施例的电流信号处理电路。

图4为本实用新型实施例的电压有功分量提取电路示意图。

图5为本实用新型实施例的功率测量电路示意图。

图6为本实用新型实施例的针对被测件为磁性元件时总损耗的测量。

图7为本实用新型实施例的针对被测件为磁性元件时的磁芯损耗的测量原理图。

图8为本实用新型实施例的针对被测件为电容器损耗时的测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

如图2所示，本实施例提供了一种高频功率测量装置，包括用以采集流经被测件的电流的电流采集器、用以采集被测件两端电压的电压采集器、电流信号处理电路、电压有功分量提取电路以及功率测量电路；所述电压采集器的输出连接至电压有功分量提取电路的输入，所述电流采集器的输出分别与电流信号处理电路、功率测量电路的输入相连，所述电流信号处理电路的输出也连接至电压有功分量提取电路的输入，电压有功分量提取电路的输出也连接至功率测量电路的输入；电流信号处理电路将流经被测件的电流处理后输出电压无功分量，并将其送入电压有功分量提取电路以提取出电压有功分量，所述功率测量电路根据电压有功分量以及流经被测件的电流计算出被测件的有功功率或者损耗。

励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际电路中被测件两端的实际电源；实际电路中，Z为被测件的阻抗，被测件可以由等效电阻R和等效电感L串联组成，或者由等效电阻R和等效电容C串联组成，或者由等效电阻R、等效电感L和等效电容串联组成，其中R体现了被测件的有功功率或损耗，L和C体现了无功功率。端子1和端子2为被测件Z的两端，通过电流互感器或者采样电阻采样流经被测件的电流i(t)，以及采用电压互感器采样被测件1、2两端的电压u(t)；电流i(t)经过电流信号处理电路进行信号处理和函数变换后输出电压无功分量uq(t)；将电压u(t)和电压无功分量uq(t)送入电压有功分量提取电路，从被测电压u(t)中分离出电压有功分量up(t)。将电压有功分量up(t)和电流i(t)送入功率测量电路，即可获得准确的电功率或损耗。此时电压up(t)和电流i(t)的相位差或者阻抗角为零或接近零，从而克服了传统交流功率测量法由于被测件阻抗角大和相位差误差引起的误差大的问题。

在本实施例中，如图3所示，所述电流信号处理电路包括微分电路以及比例放大电路；

微分电路实现对电流i(t)的微分运算，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2以及第一运放U1；所述电流采集器的输出连接至第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端分别连接至第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端分别连接至第一运放U1的反向输入端、第二电容C2的一端以及第二电阻R2的一端，第一运放U1的正向输入端经第三电阻R3接地；第二电阻R2的另一端与第二电容C2的另一端相连并连接至第一运放U1的输出端；

比例放大电路不同情况下通过调节电阻的大小从而实现不同的比例运算放大功能，从而实现提取不同情况下的电压无功分量uq(t)的功能，包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及第二运放U2，所述第四电阻R4的一端连接第一运放U1的输出端，第二运放U2的反向输入端分别与第四电阻R4的一端、第五电阻R5的一端相连，第六电阻R6的一端接第二运放U2的正向输入端，另一端接地，第五电阻R5的另一端连接至第二运放U2的输出端，并作为电流信号处理电路的输出端。

在本实施例中，如图4所示，所述电压有功分量提取电路采用减法器电路，用于将电压中的有功分量up(t)从电压u(t)提出出来，包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及运放U3；第七电阻R7的一端连接电流信号处理电路的输出，第八电阻R8的一端连接电压采集器的输出，所述第七电阻R7的另一端分别与第九电阻R9的一端、运放的反向输入端相连，第八电阻R8的另一端分别与第十电阻R10的一端、运放U3的正向输入端相连，第十电阻R10的另一端接地，第九电阻R9的另一端连接至第三运放U3的输出端，并作为电压有功分量提取电路的输出端。

在本实施例中，如图5所示，所述功率测量电路包括乘法电路以及比例积分运算电路；所述乘法电路(模拟乘法电路)用于将电压有功分量up(t)和电流i(t)进行乘法运算，包括乘法器，乘法器的两个输入端分别接电压有功分量提取电路的输出以及电流采集器的输出；所述比例积分运算电路包括第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第三电容C3以及第四运放U4；第十一电阻R11的一端与乘法器的输出端相连，第十一电阻R11的另一端分别与第三电容C3的一端、运放的反向输入端相连，运放的正向输入端经第十二电阻R12接地，第三电容C3的另一端连接第十三电阻R13的一端，第十三电阻R13的另一端连接至第四运放U4的输出端，并作为功率测量电路的输出端。

基于上述装置，本实施例提供一种测量方法，具体包括步骤：

采样流经被测件的电流信号i(t)以及被测件两端的电压信号u(t)；

根据电压无功分量uq(t)与电流信号i(t)的函数关系，将电流信号i(t)通过信号处理和函数变换转换为被测件的电压无功分量uq(t)；具体根据式子∫i(t)·uq(t)dt＝0，求出电压无功分量uq(t)：

利用电压无功分量uq(t)从电压信号u(t)中提取出被测件的电压有功分量up(t)；

根据提取的电压有功分量和流经被测件的电流信号计算被测件的有功功率或者损耗，计算公式为

本实施例通过提取被测电压的有功分量，使得电压有功分量和被测电流的相位差为零或接近零，从而克服了交流功率测量法在测量阻抗角较大的被测件时测量精度受相位差误差影响的问题，即该方法可以实现高频工况下被测件的损耗或电功率，频率可以达到MHz以上。

较佳的，本实施例的方法还可以采用数字电路实现，当采用数字电路来实现时，本发明提供的高频功率测量装置具体包括电压采集器、电流采集器、信号调理电路和DSP数字信号处理电路；所述电压采集器采集被测件两端的电压信号，所述电流采集器采集流经被测件的电流；所述信号调理电路将电压采集器以及电流采集器输出的模拟信号转为数字信号，并送入DSP数字信号处理电路进行处理；所述DSP数字信号处理电路首先将电流信号转换为被测件的电压无功分量；然后利用电压无功分量从电压信号中提取出被测件的电压有功分量；最后根据提取的电压有功分量和流经被测件的电流信号计算被测件的有功功率或者损耗。

在本实施例中，所述被测件可以是半导体元器件、电阻、磁元件、电容器，也可以是电源设备的输出。电路上可以由等效电阻和等效电感串联组成、由等效电阻和等效电容串联组成、或者由等效电阻、等效电感和等效电容串联组成。接下来，本实施例以其中三种举例说明。

如图6所示，图6是针对被测件Z为磁性元件时总损耗的测量。励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际电路中被测件两端的实际电压励磁；实际电路中，磁性元件模型是由等效电阻R和等效电感L串联组成，其中R体现了磁性元件的损耗，L体现了无功功率。端子1和端子2为磁性元件的两端，通过电流互感器或者采样电阻采样流经被测件的电流i(t)，以及采用电压互感器采样被测件1、2两端的电压u(t)；电流i(t)经过电流信号处理电路进行信号处理和函数变换后输出电压无功分量uq(t)；将电压u(t)和电压无功分量uq(t)送入电压有功分量提取电路，从被测电压u(t)中分离出电压有功分量up(t)；进一步，将电压有功分量up(t)和电流i(t)送入功率测量电路，即可获得准确的损耗。此时电压up(t)和电流i(t)的相位差或者阻抗角为零或接近零，从而克服了传统交流功率测量法测量磁性元件损耗时由于磁性元件阻抗角大和相位差误差引起的误差大的问题。

如图7所示，图7是针对被测件L为磁性元件时磁芯损耗的测量。励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际电路中被测件两端的实际电压励磁；实际测量磁芯损耗时，通常采用双绕组并绕方式，在磁性元件L中增加一个辅助绕组Laux，其中，Rw1为磁性元件绕组损耗的等效电阻，Rc为磁性元件磁芯损耗的等效电阻，Lm为磁性元件的励磁电感，端子3和端子4为磁性元件辅助绕组Laux的两端，通过电流互感器或者采样电阻采样流经被测件的电流i(t)的，以及采用电压互感器采样被测件3、4两端的电压u2(t)；电流i(t)的经过电流信号处理电路进行信号处理和函数变换后输出电压无功分量uq(t)；将电压u(t)和电压无功分量uq(t)送入电压有功分量提取电路，从被测电压u(t)中分离出电压有功分量up(t)；进一步，将电压有功分量up(t)和电流i(t)送入功率测量电路，即可获得准确的磁芯损耗。此时电压up(t)和电流i(t)的相位差或者阻抗角为零或接近零，从而克服了传统交流功率测量法测量磁性元件磁芯损耗时由于磁性元件阻抗角大和相位差误差引起的误差大的问题。

如图8所示，图8是针对被测件为电容器损耗的测量。励磁源可以由信号发生器和功率放大器组成，也可以是实际电路中被测件两端的实际电压励磁；实际电路中，电容器模型是由等效电阻R和等效电容C串联组成，其中R体现了电容器的损耗，C体现了无功功率。端子1和端子2为磁性元件的两端，通过电流互感器或者采样电阻采样流经被测件的电流i(t)的，以及采用电压互感器采样被测件1、2两端的电压u(t)；电流i(t)经过电流信号处理电路进行信号处理和函数变换后输出电压无功分量uq(t)；将电压u(t)和电压无功分量uq(t)送入电压有功分量提取电路，从被测电压u(t)中分离出电压有功分量up(t)；进一步，将电压有功分量up(t)和电流i(t)的送入功率测量电路，即可获得准确的电容器损耗。此时电压up(t)和电流i(t)的相位差或者阻抗角为零或接近零，从而克服了传统交流功率测量法测量电容元件损耗时由于相位差误差引起的误差大的问题。

值得一提的是，本实用新型保护的是硬件结构，至于控制方法不要求保护。以上仅为本实用新型实施例中一个较佳的实施方案。但是，本实用新型并不限于上述实施方案，凡按本实用新型方案所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

一种高频功率测量装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。