在能源的有效利用愈發(fā)被重視的當下，Sic和GaN在電力電子儀器中的應(yīng)用也在持續(xù)加速。在開發(fā)使用Sic和GaN的高效率儀器中，要求以0.1%為單位準確評估功率轉(zhuǎn)換效率的性能提升。
然而，測試人員把HIOKI日置與A公司的電流傳感器測量得到的逆變器輸出功率結(jié)果進行了比較，發(fā)現(xiàn)測量值之間的偏差隨著開關(guān)頻率的增加而加劇，最大偏差值超過了 10%。在要求精度為 0.1% 的情況下，為什么會出現(xiàn)如此大的差異？我們應(yīng)該相信哪種測量結(jié)果？
本應(yīng)用案例將會討論實際測量結(jié)果，并介紹在逆變器效率測量中選擇電流傳感器的一些要點。

1. 課題
逆變器的輸出功率包括驅(qū)動電機的基波頻率分量及其諧波(藍色部分)和逆變器的開關(guān)頻率及其諧波(紅色部分)?；捌渲C波分量處于幾千Hz的低頻段，因此可以用傳統(tǒng)的功率分析儀和電流傳感器進行相對準確的測量。
然而，開關(guān)頻率及其諧波分量處于幾十 kHz 至幾 MHz 的高頻段且功率因數(shù)較低，因此需要不僅能準確測量寬帶寬還能準確測量相位的高精度功率分析儀及電流傳感器。如果無法準確測量由開關(guān)頻率及其諧波分量組成的高頻功率，就會導(dǎo)致測量值波動、效率超過 100%、損耗大幅偏離理論值等問題。

高頻測量的要點

電機的等效電路
電機的等效電路由電阻和電感組成。在高頻下(幾十 kHz 以上)，電感元件產(chǎn)生的阻抗占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致功率因數(shù)較低。因此，需要一種能準確測量逆變器載波頻率的寬帶寬測量儀器。

低功率因數(shù)測量的特點
在低功率因數(shù)測量中，電壓-電流相位差接近 90°，相位的微小偏差會導(dǎo)致較大的測量誤差。如果使用相位誤差較大的測量儀器，相位可能會超過 90°，從而對功率誤差產(chǎn)生重
大影響。
2. 比較逆變器輸出功率測量值
功率分析儀的主體采用了高端型號 PW8001，比較了使用具有出色相位特性的電流傳感器 CT6904A 和A公司電流輸出型電流傳感器(額定電流 1000 A，帶寬～300 kHz)測量的結(jié)果。包括接線在內(nèi)的測量條件完全相同。那么相位特性的差異會對高頻功率的測量造成何種影響呢？
測量配置框圖

由于電流傳感器的特性不同而導(dǎo)致的有功功率測量圖像差異

逆變器輸出的有功功率的頻率分布分為基波及其諧波分量和開關(guān)頻率及其諧波分量。包括基波在內(nèi)的所有有功功率都會作為能量被電機消耗，因此理想情況下，測量結(jié)果會在分析屏幕上顯示為正向分量。然而，在20 kHz以上的高頻區(qū)域，由于功率因數(shù)較低，如果使用相位特性不佳的電流傳感器，可能會導(dǎo)致本應(yīng)作為正向分量出現(xiàn)的有功功率以反向分量的形式出現(xiàn)，從而影響測量結(jié)果。
利用功率譜分析 (PSA) 實現(xiàn)功率損耗的可視化

PW8001 Ver.2 中新增了功率譜分析(PSA)功能。迄今為止，F(xiàn)FT 分析通常基于電壓和電流，但通過添加有功功率作為新的分析項目，可以直觀地顯示各頻率分量中的功率分布。這樣就可以直觀地識別負載的消耗和再生。
相關(guān)視頻：什么是用于電機損耗分析的 PSA
功能介紹：功率譜分析 (PSA) 功能可確定變頻器電機損耗
測定比較結(jié)果
開關(guān)頻率為 20 kHz 時，有功功率相差約 40 W(= 約2.1%)。原因可通過 PSA 功能進行分析。使用 HIOKI日置 CT6904A 測量的結(jié)果顯示，包括開關(guān)頻率及其諧波分量在內(nèi)的所有有功功率均為正值(功耗)。另一方面，A 公司電流傳感器測量的結(jié)果將開關(guān)頻率的高頻功率誤測為負值(再生功率)。由此可見，HIOKI日置 CT6904A 的結(jié)果更為可靠。這是由于電流傳感器的相位特性不同造成的結(jié)果。

如果進一步提高開關(guān)頻率…

將開關(guān)頻率提升至100kHz之后，有功功率相差大約190w(約10%)。通過 PSA 功能進行分析后可知，A社的傳感器大約在200kHz~(開關(guān)頻率的2倍)的高頻帶寬中確認到負功率，未能進行準確的測量。
逆變器輸出的有功功率誤差比較
隨著開關(guān)頻率的提高，兩者之間的有功功率差也變大了。一般來說，在逆變器中使用SiC/GaN有望提高效率，并通過提高開關(guān)頻率可實現(xiàn)小型化、輕量化。
為了能在此類開發(fā)中準確測量效率，在選擇電流傳感器時就必須謹記其相位特性差異會對結(jié)果產(chǎn)生顯著影響這一關(guān)鍵。

3. HIOKI日置提供的解決方案
除了保證功率分析儀和電流傳感器單獨進行寬帶寬測量時具有足夠的性能外，組合條件下的相位誤差也有規(guī)定范圍。此外，PW8001還具備自動相位補償功能，可提供大范圍相位補償，為低功率因數(shù)下的高精度測量提供有力支持。HIOKI日置的功率分析儀和電流傳感器非常適合用于測量SiC/GaN 的高效逆變器及配套使用的高效電機的效率和損耗。

審核編輯 黃宇