Messung des Wirkungsgrads

Messung des Wirkungsgrads

Mit einem Experten sprechen

Wandlertests zur Quantifizierung der Verlustleistung

Der Wirkungsgrad ist einer der wichtigsten Parameter bei der Charakterisierung von Netzteilen – auch solchen mit nur geringer Leistung (< 100 W). Durch Wirkungsgradmessungen werden die Energieverluste bei der Leistungsumwandlung quantifiziert. Sie beruhen auf einer genauen Bestimmung von Eingangs- und Ausgangsleistung.

Bei der abschließenden Validierung und Konformitätsprüfung wird häufig ein spezialisierter Leistungsanalysator – z. B. der LMG600 Series – eingesetzt. Dieses Gerät ermöglicht hochgenaue Messungen der Eingangsleistung.

Wirkungsgradmessungen sind jedoch nicht nur in den abschließenden Prüfphasen wichtig. Sie sind auch in der Entwicklungsphase von Bedeutung, da nahezu jede Komponente in der Netzteilschaltung den Wirkungsgrad beeinflusst. Schnelles Feedback während der Entwicklung erlaubt es Ingenieuren, das Design iterativ zu optimieren.

In diesem Zusammenhang spielt das Oszilloskop eine zentrale Rolle. Das wichtigste Diagnosewerkzeug in der Schaltungsentwicklung ermöglicht die Messung von Eingangs- und Ausgangsspannungen sowie -strömen. Aus diesen Daten werden dann die Leistung und der Wirkungsgrad berechnet. Das Oszilloskop bietet zwar in der Regel eine geringere absolute Genauigkeit als der Leistungsanalysator, dafür aber eine deutlich höhere Bandbreite und schnellere Abtastung sowie leistungsfähige Triggerfunktionen. So lassen sich dynamische Effekte und Einschwingvorgänge beobachten, die den Wirkungsgrad beeinflussen können, mit einem Leistungsanalysator jedoch nur schwer zu erfassen sind.

Ihre Herausforderungen bei Wirkungsgradmessungen

Anwendungen wie die Stromversorgung von KI-Rechenzentren , Leistungsumwandlung in Elektrofahrzeugen (EV) , Wechselrichter für erneuerbare Energien und Motorantriebe erfordern einen immer höheren Wirkungsgrad unter vielfältigen Betriebsbedingungen. Bei Effizienzzielen von 98–99 % und darüber hinaus stellt bereits die Messunsicherheit selbst eine wesentliche Herausforderung dar.

Zur Bestimmung des Wirkungsgrads muss die Wirkleistung ermittelt werden. Die Messung der Wirkleistung wird in Wechselstromsystemen jedoch zunehmend schwierig, da moderne Leistungswandler hochdynamische und verzerrte Signalformen erzeugen, die Schaltharmonische, Welligkeiten, schnelle Transienten und nichtlineares Stromverhalten enthalten. Daher reichen herkömmliche Leistungsmessungen mit geringer Bandbreite nicht aus, um das tatsächliche Verhalten des Systems zu erfassen.

Weitere Herausforderungen sind:

  • Bei der Messung des Wirkungsgrads mit einem Oszilloskop müssen Spannungs- und Strompfad genau aufeinander abgestimmt und der Kanal-zu-Kanal-Laufzeitversatz kompensiert werden.
  • Hohe dv/dt- und di/dt-Werte erzeugen Gleichtaktspannungen, die in die Messpfade einkoppeln und dort zu Offset, Ringing und verfälschten Leistungswerten führen. Erdschleifen, lange Leitungen und eine ungünstige Tastkopfplatzierung können das Fehlerbudget dominieren – insbesondere auf der High Side einer Halbbrücke oder an nicht massebezogenen Knoten.
  • Bei geringer Last sind die absoluten Verluste klein, die relative Unsicherheit ist jedoch hoch. Sensor-Offset, ADC-Quantisierung, Leckströme, Hilfs-Bias-Spannung sowie der Verbrauch von Lüfter und Steuerung können die Messsignale dominieren. Die Angabe eines „99 % Spitzenwirkungsgrads“ ist bei 10 % Last ohne sehr sorgfältigen Messaufbau kaum zu verifizieren.
  • Verluste und RDS(on), magnetische Eigenschaften sowie der ESR-Wert der Kondensatoren ändern sich mit der Temperatur. Ohne thermisches Gleichgewicht und definierte Umgebungsbedingungen bzw. Prüfvorrichtung leidet die Wiederholgenauigkeit.
  • Die Verlustleistung ist stark temperaturabhängig. Ohne thermisches Gleichgewicht, kontrollierte Umgebungsbedingungen und reproduzierbare Prüfaufbauten können Wirkungsgradmessungen zwischen den Durchläufen erheblich driften.

Leistungsstarke Lösungen für Wirkungsgradmessungen

Rohde & Schwarz bietet umfassende Messlösungen für Wirkungsgradtests und unterstützt Ingenieure von der frühen Fehlersuche bis zur abschließenden Konformitätsprüfung und Validierung.

Wir bieten:

  • Hochgenaue Leistungsanalysatoren für Validierung, Konformitätsprüfung und End-of-Line-Wandlertests
  • Mehrkanal-Oszilloskope mit hoher Bandbreite, hervorragendem Kanalgleichlauf und Deskew-Funktionen für die präzise Schaltanalyse
  • Tastköpfe für präzise Wirkungsgradmessungen, auch in WBG-Anwendungen
  • Spezielle Softwareoptionen für die Leistungsanalyse wie K31 und K333, die die Wirkungsgradcharakterisierung während des gesamten Entwicklungszyklus beschleunigen
  • Leistungsfähige Digital- und Zonentriggerfunktionen, die transiente Ereignisse entlang des Leistungswandlungspfads erfassen und Signale visualisieren, um das Debugging zu vereinfachen

Vorteile unserer Lösungen für Wirkungsgradmessungen

  • Hohe Genauigkeit und Messperformance für zuverlässige, reproduzierbare Ergebnisse
  • Rückführbare Wirkungsgradmessungen von der Entwicklung bis zur Produktion
  • Umfassende Testautomatisierung zur Beschleunigung von Arbeitsabläufen
  • Weltweiter Application-Engineering-Support für fachkundige Unterstützung rund um den Globus

Besprechen Sie Ihre Wirkungsgrad-Testfälle mit unseren Experten.

FAQs zu Wirkungsgradmessungen

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