储能元件的磁饱和点测量装置及磁饱和点测量方法与流程

本发明涉及一种储能元件的量测装置及其测量方法，且特别涉及一种储能元件的磁饱和点测量装置及磁饱和点测量方法。

背景技术：

储能元件，例如为变压器或电感器，通常是由绕组及磁芯所组成，具备储能、能量转换及电气隔离等特性，是构成电源电路所必备的电子元件。

在一般操作状态下，储能元件的磁通密度会随着电流的增加而成正比的增加；然而，当储能元件中的磁通密度达到特定值时，即使外加电流逐渐增加，其磁通密度依然保持不变的物理现象称为磁饱和。简言之，磁饱和是指储能元件的磁通密度不再随着外加电流的增加而明显增大的现象。

当储能元件磁饱和时，其绕组的电感量会明显降低，造成磁芯元件或电源电路中其他元件的过热或损坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种储能元件的磁饱和点测量装置，其藉由电流斜率以获得储能元件的磁饱和点。

依据本发明提供一种储能元件的磁饱和点测量装置，用以测量储能元件的磁饱和点。储能元件具有操作频率，并设在储能元件的磁饱和点测量装置的第一端点及第二端点之间。储能元件的磁饱和点测量装置包含直流电源、放电元件、开关元件、开关周期控制器、电流斜率感测器及电流斜率比较器。直流电源包含正电压准位端及负电压准位端，正电压准位端连接第一端点。放电元件跨接在第一端点及该第二端点间。开关元件连接放电元件及负电压准位端。开关周期控制器电连接于电流斜率比较器及开关元件，开关周期控制器依据操作频率产生脉波宽度调变信号以驱使开关元件进行重复进行开启及闭合，脉波宽度调变信号的占空比随着时间增加而增加。电流斜率感测器耦接于第二端点， 电流斜率感测器以预定频率感测通过储能元件的电流，并将测得的相邻二时间点的电流转换为电流斜率。电流斜率比较器电连接于电流斜率感测器，电流斜率比较器接收电流斜率感测器输出的电流斜率，并比较电流斜率，其中当等电流斜率不相等时，即获得磁饱和点。

根据本发明另提供一种磁饱和点测量方法，适用于测量一储能元件的一磁饱和点，磁饱和测量方法包含如下步骤:(a)依据储能元件的操作电压及操作频率提供直流电源及具有操作频率的脉波宽度调变信号予储能元件，其中，脉波宽度调变信号的占空比随时间增加而逐渐提高；(b)每隔一预定时间感测导通于储能元件的电流，并将测得的电流转换为多个电流斜率；以及(c)比较电流斜率值，并于相邻二电流斜率不相等时，取得储能元件的磁饱和点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1绘示本发明的储能元件的磁饱和点测量装置的电路方框图；以及

图2绘示储能元件的电流对时间关系图。

其中，附图标记

10储能元件的磁饱和点测量装置.

100直流电源

110放电元件

120开关元件

130开关周期控制器

140电流斜率感测器

150电流斜率比较器

30储能元件

300初级绕组

302次级绕组

a第一端点

b第二端点

P1高准位电极端

P2低准位电极端

Q转折点

RL负载

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

请参照图1，为本发明的储能元件的磁饱和点测量装置的电路方框图。图1所示的储能元件的磁饱和点测量装置10用以测量储能元件30的磁饱和点。其中，储能元件30预设有操作电压及操作频率。储能元件的磁饱和点测量装置10包含连接储能元件30的第一端点a及第二端点b。在图1中，储能元件30以变压器作为说明范例，且变压器的初级绕组300连接在第一端点a及第二端点b，变压器的次级绕组302可通过负载RL接地。当储能元件30为电感器时，电感器的绕组是跨接在第一端点a及第二端点b之间。

储能元件的磁饱和点测量装置10包含直流电源100、放电元件110、开关元件120、开关周期控制器130、电流斜率感测器140及电流斜率比较器150。直流电源100用以提供测量储能元件30的磁饱和点的电压，其中，直流电源100输出的电压相同于储能元件30预设的操作电压的峰值电压。

放电元件110跨接在第一端点a及第二端点b，以与储能元件30呈并连连接。放电元件110包含低准位电极端P1及高准位电极端P2。当施加在高准位电极端P2的电力高于施加在低准位电极端P1的电力时，放电元件110呈现短路状态，电流可由高准位电极端P2流动至低准位电极端P1，则储存在储能元件30上的电能可进行放电。当施加在高准位电极端P2的电力低于施加在低准位电极端P1的电力时，放电元件110呈现开路状态，且无电流通过放电元件110。放电元件110的低准位电极端P1电连接于直流电源100的高电压准位端(+)及第一端点a，放电元件110的高准位电极端P1电连接于第二端点b及电流斜率感测器140。在图1中，放电元件110是以二极管实现，二极管的阴极(即低准位电极端)电连接于第一端点a，阳极(即高准位电极端)电连接至第二端点b。

开关元件120设在放电元件110的高准位电极端P2及直流电源100的负电压准位端(-)之间，并接受开关周期控制器130发出的控制信号而进行开启或 闭合，其中开关周期控制器130发出的控制信号为脉冲宽度调变信号。电流斜率感测器140设在第二端点b处，用以感测通过储能元件30的电流；其中，电流斜率感测器140可例如包含霍尔效应(Hall effect)电流感测器。电流斜率比较器150电连接于电流斜率感测器140及开关周期控制器130。

储能元件30上的电压值为其电感值与电流变动率的乘积，即

V＝L(dI/dt)

；其中:

V为储能元件上的电压值；

L为储能元件的绕组的电感值；以及

dI/dt为电流变动量。

同时，在储能元件30未达到磁饱和点之前，储能元件30的磁通密度会随着电流的增加而成正比的增加；亦即随着储能元件30的导通时间增加，导通于储能元件30的电流会以第一斜率增加，如图2实线所示。当储能元件30达到磁饱和点后，由于储能元件30的电感量下降，故导通于储能元件30的电流会大量增加；换言之，在通过磁饱和点后，随着储能元件30的导通时间增加，导通于储能元件30的电流会以大于第一斜率的第二斜率增加，如图2虚线所示。因此，第一斜率及第二斜率间的转折点Q，即为储能元件30的磁饱和点。

在进行储能元件30的磁饱和点测量时，首先必须使直流电源100的输出电压相等于储能元件30的预设操作电压的峰值电压，且开关周期控制器130必须输出相等于储能元件30的预设操作频率的控制信号以驱使开关元件120重复进行开启及闭合的动作；其中，当开关元件120闭合时，直流电源10对储能元件30充电，则电流斜率感测器140并可测得导通于储能元件30的电流，当开关元件120开启时，则储能元件30可以通过放电元件110进行放电。此外，开关周期控制器130会逐渐增加输出的脉冲宽度调变信号的占空比(dutycycle)，以增加储能元件30的导通时间，致使导通于储能元件30的电流可以对应提高。

接着，通过电流斜率感测器140以预定时间间隔侦测导通于储能元件30的电流，并取得至少三个不同时间点导通于储能元件30的电流；接着，运算 相邻二时间点间的电流斜率(即电流变化量)，并将运算后的至少二个电流斜率传递至电流斜率比较器150。在此要特别说明的是，因开关周期控制器130输出的脉冲宽度调变信号的频率相同于储能元件30预设的操作频率，仅是占空比不同的调整，因此，通过适当地调整电流斜率感测器140感测导通于储能元件30的电流的预定时间间隔，便可以测得对应不同占空比的电流。

电流斜率比较器150通过比较电流斜率感测器140输出的至少二个电流斜率，以取得储能元件30的磁饱和点。更具体言之，电流斜率比较器150是藉由判断前述的至少二个电流斜率是否相等，以判断储能元件30是否饱和；其中，若二电流斜率相等，则判断储能元件30未达磁饱和点，而若二电流斜率不相等，则判断储能元件30达到磁饱和点。

若以数学式表示，则当储能元件30未达磁饱和点时，满足下列条件1，当储能元件30达到磁饱和点时，满足下列条件2:

；其中:

I_n-1为在时间点t_n-1时，导通于储能元件30的电流；

I_n为在时间点t_n时，导通于储能元件30的电流，其中时间点t_n与时间点t_n-1间隔前述预定时间；

I_n+1为在时间点t_n+1时，导通于储能元件30的电流，其中时间点t_n+1与时间点t_n间隔前述预定时间。

若电流斜率比较器150判断储能元件30未饱和，则输出通知信号至开关周期控制器130，驱使开关周期控制器130提高输出的脉波宽度调变信号的占空比，以提高开关元件120的导通时间，直至储能元件30达到饱和。

综上所述，测量储能元件30的磁饱和点的方法包含如下步骤。

首先，取得储能元件30预设的操作电压及操作频率，并依据操作电压及操作频率提供直流电源100及具有操作频率的脉波宽度调变信号予储能元件30。其中，直流电源100输出的电压相同于储能元件30预设的操作电压的峰值，且脉波宽度调变信号的占空比会随时间的增加而逐渐提高。

接着，每隔一预定时间感测导通于储能元件30的电流，并将测得的多个电流转换为多个电流斜率。其中，感测导通于储能元件30的电流的预定时间相同于储能元件30预设操作频率的单一周期时间，且每个电流斜率都是由相邻二时间点间电流运算而得。

最后，比较电流斜率值。当相邻二电流斜率不相等时，即获得储能元件的磁饱和点；若相邻二电流斜率不相等时，持续提高脉波宽度调变信号的占空比。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。