使用PW8001高端功率分析仪对SiC逆变器实际测量结果的比较

近年来，采用可实现高速开关功率半导体Sic及GaN的高效逆变器研发不断推进。通过采用这些功率半导体，可实现逆变器 开关速度的高速化，扼流线圈和电容器等元件尺寸的小型化。此外，开关损耗的减少还能缩小以散热器为主的散热元件的尺寸，从而提高逆变器和电机的整体效率，实现小型轻量化。然而，随着开关速度的加快，则需要在比以往更宽的频带中进行高精度功率测量，因此选择合适的机型是十分重要的。本应用手册将使用功率分析仪PW8001和A公司的高端功率分析仪对SiC逆变器效率进行实际测量，并介绍比较结果。

逆变器输出功率测量误差的影响
为实现逆变器和电机的小型轻量化、高效化，开关频率的高速化正在不断推进。然而，随着开关频率的高速化，准确测量逆变器的输出功率变得愈加困难。例如，在汽车逆变器开发中，为了降低油耗和缩短充电时间，会以10W为单位进行热管理。通过准确测量逆变器损耗和电机损耗，可以实现最优的热管理设计。然而，如果测量误差大，错误认为损耗比实际大，则会导致过度热管，难以实现小型轻量化。因此，准确地测量逆变器的输出功率至关重要。

SiC逆变器电机效率实测比较
下图为实测SiC逆变器效率进行比较的框图。使用2台不同的功率分析仪同时测量，主要从逆变器输入功率（1P2W）、逆变器输出功率（3P3W2M）和电机功率这三个方面入手。此外，由于PW8001是与AC/DC电流传感器CT6904A组合测量的，为了统一测量条件，A公司的功率分析仪也搭配了相应的A社电流传感器进行测量。

逆变器功效率、电机效率、综合效率的比较
本实验分别在10kHz、20 kHz、100kHz和200kHz的开关频率下测量了SiC逆变器的逆变器效率和电机效率。逆变器效率的比较结果表明，随着开关频率的提高，两种机型之间的差异也在增大。此外，电机效率的比较结果表明，不仅开关频率提高后差异随着增大外，用A公司功率分析仪进行测量时，还出现了效率超过100%的情况。

下图展示了在开关频率为100kHz条件下，逆变器效率、电机效率以及综合效率的比较结果。通过观察实际测量值可以发现，逆变器输入的DC功率以及通过扭矩计和编码器计算得出的电机功率之间没有明显差异。然而，在逆变器输出的三相功率上，数值却存在显著差异。例如，关注逆变器损耗时，PW8001的测量结果显示损耗为0.17kW，而A公司的功率分析仪却显示损耗为0.83kW。如果误读这些测量值，则需要采取额外的散热措施并对控制设计进行重新评估。

选择能够准确测量高速开关逆变器功率的功率分析仪的标准
逆变器输出功率特性
为什么有功功率会出现差异呢？下图显示了逆变器输出有功功率的频率分布。逆变器的输出功率包括驱动电机的基频分量及其谐波（蓝色部分），和逆变器的开关频率及其谐波（红色部分）。由于有功功率从低频到高频广泛分布，因此要准确测量逆变器的输出功率，必须使用可覆盖宽频带的功率分析仪。此外，逆变器输出功率中的开关频率及其谐波分量的功率因数较低，因此必须在高频段准确捕捉输出电压和输出电流之间的相位差。

相位精度的重要性

要准确测量逆变器的输出功率，特别是准确测量开关频率及其谐波成分至关重要。然而由于在高频条件下，功率因数低（电压电流相位差90°），测量仪器需要具备较高的相位精度。相位误差在在测量低功率因数的有功功率时会有显著的影响。例如，在相位为88º，测量仪器的相位误差为1º的情况下，转换为有功功率时的误差后高达约50%。我们公司自主开发了高精度电流传感器，了解每个传感器型号的相位特性，因此可以实现在宽频带范围内的相位补偿。例如，在比较100kHz时的相位误差时，A公司的电流传感器的相位差超过1.0º，而HIOKI日置的CT6904A的误差则小于0.01º。

结论
我们使用高端功率分析仪对SiC逆变器进行了实际测量比较。与同类功率分析仪相比，在逆变器的输出功率上出现了明显差异。因此，能够准确测量高频开关频率的PW8001给出的测量值更加可靠。
逆变器输出功率中的开关频率及其谐波分量的功率因数较低，因此选择频带覆盖范围宽、相位精度高的功率分析仪和电流传感器至关重要。

审核编辑 黄宇