高頻開關電源系統效率測量的不確定度評定

王世琦 李勇 李耿 于衛東 趙騰飛

摘要：簡述了高頻開關電源系統效率測量的原理和經典的測量方法。針對該測量方法和測試系統的特點，系統地總結了該電源系統效率測量過程中存在的各種誤差修正項和不確定度，同時給出了各項不確定度的評定方法。分析計算得出了高頻開關電源系統效率測量過程中存在的各項標準不確定度、合成不確定度和擴展不確定度。給出了工程測試實例，驗證了該電源系統效率測量的不確定度評定的有效性和可行性。

關鍵詞：高頻開關電源系統；系統效率測量；標準不確定度；合成不確定度；擴展不確定度；不確定度評定

中圖分類號：TN86文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）23-50-4

0引言

在工業設備、電力系統、郵電通信和軍事裝備等行業，廣泛應用著大功率高頻開關電源，其性能好壞直接關系到被供電系統的穩定性、可靠性以及各項輸出性能。隨著電力電子行業的快速發展，高頻開關電源[1]以其控制靈活、效率高和體積小等特點，占據了很大的市場份額。隨著高頻開關電源技術的飛速發展，早期的硅整流直流操作電源系統已被高頻開關直流操作電源系統取代。智能高頻開關電源系統[2]集控制技術、計算機技術和通信技術于一體，在電力系統中發揮著至關重要的作用。通信用高頻開關電源系統采用了先進的微處理控制技術和高頻開關電源技術，適用于電力載波、移動通信、程控交換機、光纖通信、微波通信及其他電信通信用于無人值守的電源設備。

完整的高頻開關電源系統由交流配電單元、整流模塊、直流配電單元、蓄電池組以及監控系統5部分組成。交流配電單元為高頻開關電源系統提供交流電源；整流模塊將交流電轉變成穩定的直流電；直流配電單元是該電源系統的直流輸出部分；蓄電池組為電源系統提供存儲的能源；監控系統用于實時監測和控制高頻開關電源系統的正常運行，其中包括三相交流供電狀態、整流模塊的整流、電流、電壓模塊以及蓄電池組等的運行狀態。

高頻開關電源通常采用大功率半導體器件作為開關元件，主要目的是實現輸出電壓穩定、功率因數矯正以及輸出電流快速精準控制等，并兼具諧波治理和電磁干擾抑制等功能。評價一個開關電源系統的主要指標是電源系統的轉換效率，而電源系統效率的測量不確定度對結果影響比較大。電源系統效率是指輸出功率與輸入功率之比，是電源系統無線電計量的主要參數之一，用來衡量電源系統的能量利用率和交/直流的轉換效率。系統效率顯然與交流輸入有功功率和直流輸出電壓/電流的大小有密切關系，當交流輸入功率恒定時，直流輸出電壓及電流越大，電源系統效率越高。對高頻開關電源系統測量的不確定度分析具有一定的代表性，因此，有必要對系統效率測量進行不確定度分析和評定。

1測量原理

電源系統效率測量[3]原理如圖1所示。測試電流由接入市電的交流穩壓可調電源輸出，經數字功率計和電流取樣裝置連接到高頻開關電源系統，并監測輸入端的交流電壓和功率。該系統的輸出端經數字存儲示波器和直流電流測試裝置連接到可調節純阻性負載上，并監測輸出端的直流電壓和電流。

2建立數學模型

標準不確定度是以標準差表示的測量不確定度，分為2類：

（1）A類標準不確定度

A類標準不確定度[4-5]評定是對在規定測量條件下測得的量值，用統計分析的方法進行測量不確定度分量的評定，由一組觀測得到的頻率分布導出的概率密度函數得到。重復測量引入的不確定度，采用A類標準不確定度評定。

（2）B類標準不確定度

B類標準不確定度[4-5]評定是用不同于A類不確定度評定的方法對測量不確定度分量進行的評定，由一個假定的概率密度函數得到，此函數基于對一個事件發生的信任程度。

以下2種原因引入的不確定度，采用B類標準不確定度評定：

①功率分析儀的示值誤差引入的不確定度；

②功率分析儀的分辨力誤差引入的不確定度。

3標準不確定度評定

被測系統直流輸出電壓額定值為50 V，50%負載電流額定值為5 A，系統效率額定值為92.5%，在以上條件下分析被測系統效率不確定度。

（1）由功率分析儀測量重復性引入的不確定度評估采用統計方法計算標準不確定度。直流電壓測量示值如表1所示。

6結束語

本文針對高頻開關電源系統效率測量的不確定度問題，結合測量實例，對測量電源系統的交流輸入功率和直流輸出電壓及電流等誤差來源進行了分析，給出了高頻開關電源系統效率測量結果的不確定度評定方法，評估了系統效率測量的各種不確定度。分析結果表明，該不確定度評定方法實用嚴謹，分析詳實全面，評估結果準確度高，具有較高的參考價值，同時，也能指導廣大工程技術人員的測量工作。

此測量方法可推廣到各種電源系統[15-22]效率測量的不確定度評定中，具有廣泛的推廣價值。

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