[发明专利]一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及直流电源系统阻抗测量技术领域，特别是涉及一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法。

背景技术

直流电源系统是由电源和许多负载组成的系统，电源系统阻抗可以分成电源输出阻抗和负载输入阻抗两个部分。电源输出阻抗是反映电源系统的供电质量、兼容性、稳定性的重要技术指标，负载输入阻抗是反映输入滤波器或电源转换器DC-DC抑制传导干扰、抑制反射功率的重要技术指标。两者合起来统称电源系统阻抗。

电源系统设计和用电负载设计往往是由不同的研制单位，在不同的时间完成的。例如VXI、PXI机箱电源、计算机电源母线、通讯电源母线、航天器电源母线以及国际空间站电源等等。只有在电源输出阻抗确定下来后，再要求所有负载并联后的输入阻抗远远大于电源输出阻抗，才能保证系统稳定。电源输出阻抗参数成为设计电源系统和负载的重要数据。只有实际测量出电源输出阻抗和负载输入阻抗才能用定量的数据检验设计指标，在电源系统出现干扰时也需要实际测量电源输出阻抗来在线查找原因。目前国外航天器电源已经使用电源输出阻抗作为技术指标来评价电源的品质，在欧空局的技术规范中规定了航天器输出阻抗的特性曲线要求，并且规定了级联的DC-DC电源稳定性要求。国际空间站电源系统为了适应来自各个国家和来自不同公司的用电负载，特别规定了电源输出阻抗和负载输入阻抗的限制范围，以保证整个系统稳定运行。因此，如果没有可靠的电源输出阻抗测量技术，就难以对电源和负载的系统稳定性进行定量分析，在电源系统设计时也难以提出电源输出阻抗技术要求和负载输入阻抗的技术要求，因此电源输出阻抗测量技术是急待发展的重要的测量技术。

直流电源输出阻抗的特点是：①直流电源输出阻抗不同于元器件阻抗，也不同于电源内阻。元器件阻抗是由材料特性和几何结构决定的，如电阻器件的阻抗是由导电丝的电阻率和几何形状决定的，电容器件的阻抗是由电容极板面积、极板间距、电介质的介电场数以及引脚电线的电阻和几何形状决定的，电感器件的阻抗是由线圈面积和匝数、线圈内外磁导率以及线圈电阻和几何形状决定的。电源输出阻抗不同于元器件阻抗，它是由电源输出特性和电源母线上的分布参数决定的，电源输出阻抗是当电源有功率输出的条件下，表现出来的固有特性。它也不同于电源内阻，内阻是电源输出端的电压变化与负载电流变化的比值。电压和电流均在直流状态，所谓变化是指两种直流输出状态之间的差异。内阻可用伏安特性曲线的切线斜率来表示，电源存在非线性，不同工作状态下内阻的大小也不相同，理想的电压源Us内阻Rs为零，理想的电流源Is内阻Rg无穷大。②直流电源输出阻抗是在小信号条件下的阻抗。直流电源是非线性系统，在不同的电压和电流的工作点上，阻抗不同。工作点附近存在小的动态区间，可以看作近似线性区间。因此测量电源阻抗时，只能施加小幅值的正弦激励电流，保证不失真的情况下，产生的电压扰动也不失真，在这种小信号条件下，才能用某单一频率的电压相量和电流相量来计算电源阻抗。一般在10kHz以下，电源阻抗小于0.1Ω，若交流激励电流的幅值小于0.1A则母线上的交流电压响应小于10mV，如此小的电压信号淹没在母线噪声中，会严重影响测量准确度，微小信号的测量问题是阻抗测量中的难题。③直流电源输出阻抗是分布参数阻抗。电源输出阻抗不但与电源控制特性有关，还与输电线路和测量截面有关，高频情况下（一般大于10kHz），电源输出阻抗受母线分布参数影响，逐渐增大，而母线分布参数又与测量截面选取有关。

因此，直流电源输出阻抗的测量不同于无源的阻抗元件的测量，不能直接使用阻抗测量仪。它必须在直流电源工作时，注入电流激励或电压激励，然后测量响应电压或电流，通过计算电压与电流的相量比例获得阻抗测量结果。但是，为了避免非线性失真，激励与响应往往工作在小信号区间，对于小信号测量来说，非常困难。在直流电源工作条件下，当电源输出阻抗非常小时，比如0.1Ω以下，待测交流电压常常被淹没在直流电源本身的噪声中。目前国内和国际上还没有商品化的直流电源输出阻抗的测量仪器和设备。而通用的、商品化阻抗测量仪和矢量网络分析仪只能测量无源器件的交流阻抗，不能直接用于测量电源输出阻抗和负载输入阻抗。

根据国内外相关技术文献的记载，目前测量电源输出阻抗的方法，一般采用频率响应分析仪，由频率响应分析仪产生交流激励信号VAC，同时测量母线电压Vtest和取样电阻电压Vref的幅值比例和相位差，测量结果以波特图给出。测量频率范围10Hz～200kHz，所用的频率响应分析仪有美国Venable公司的350系列，还有美国Ridley公司的AP200系列。