近年來(lái)，采用可實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)功率半導(dǎo)體Sic及GaN的高效逆變器研發(fā)不斷推進(jìn)。通過(guò)采用這些功率半導(dǎo)體，可實(shí)現(xiàn)逆變器 開(kāi)關(guān)速度的高速化，扼流線圈和電容器等元件尺寸的小型化。此外，開(kāi)關(guān)損耗的減少還能縮小以散熱器為主的散熱元件的尺寸，從而提高逆變器和電機(jī)的整體效率，實(shí)現(xiàn)小型輕量化。然而，隨著開(kāi)關(guān)速度的加快，則需要在比以往更寬的頻帶中進(jìn)行高精度功率測(cè)量，因此選擇合適的機(jī)型是十分重要的。本應(yīng)用手冊(cè)將使用功率分析儀PW8001和A公司的高端功率分析儀對(duì)SiC逆變器效率進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并介紹比較結(jié)果。

逆變器輸出功率測(cè)量誤差的影響
為實(shí)現(xiàn)逆變器和電機(jī)的小型輕量化、高效化，開(kāi)關(guān)頻率的高速化正在不斷推進(jìn)。然而，隨著開(kāi)關(guān)頻率的高速化，準(zhǔn)確測(cè)量逆變器的輸出功率變得愈加困難。例如，在汽車(chē)逆變器開(kāi)發(fā)中，為了降低油耗和縮短充電時(shí)間，會(huì)以10W為單位進(jìn)行熱管理。通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量逆變器損耗和電機(jī)損耗，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的熱管理設(shè)計(jì)。然而，如果測(cè)量誤差大，錯(cuò)誤認(rèn)為損耗比實(shí)際大，則會(huì)導(dǎo)致過(guò)度熱管，難以實(shí)現(xiàn)小型輕量化。因此，準(zhǔn)確地測(cè)量逆變器的輸出功率至關(guān)重要。

SiC逆變器電機(jī)效率實(shí)測(cè)比較
下圖為實(shí)測(cè)SiC逆變器效率進(jìn)行比較的框圖。使用2臺(tái)不同的功率分析儀同時(shí)測(cè)量，主要從逆變器輸入功率（1P2W）、逆變器輸出功率（3P3W2M）和電機(jī)功率這三個(gè)方面入手。此外，由于PW8001是與AC/DC電流傳感器CT6904A組合測(cè)量的，為了統(tǒng)一測(cè)量條件，A公司的功率分析儀也搭配了相應(yīng)的A社電流傳感器進(jìn)行測(cè)量。

逆變器功效率、電機(jī)效率、綜合效率的比較
本實(shí)驗(yàn)分別在10kHz、20 kHz、100kHz和200kHz的開(kāi)關(guān)頻率下測(cè)量了SiC逆變器的逆變器效率和電機(jī)效率。逆變器效率的比較結(jié)果表明，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，兩種機(jī)型之間的差異也在增大。此外，電機(jī)效率的比較結(jié)果表明，不僅開(kāi)關(guān)頻率提高后差異隨著增大外，用A公司功率分析儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，還出現(xiàn)了效率超過(guò)100%的情況。

下圖展示了在開(kāi)關(guān)頻率為100kHz條件下，逆變器效率、電機(jī)效率以及綜合效率的比較結(jié)果。通過(guò)觀察實(shí)際測(cè)量值可以發(fā)現(xiàn)，逆變器輸入的DC功率以及通過(guò)扭矩計(jì)和編碼器計(jì)算得出的電機(jī)功率之間沒(méi)有明顯差異。然而，在逆變器輸出的三相功率上，數(shù)值卻存在顯著差異。例如，關(guān)注逆變器損耗時(shí)，PW8001的測(cè)量結(jié)果顯示損耗為0.17kW，而A公司的功率分析儀卻顯示損耗為0.83kW。如果誤讀這些測(cè)量值，則需要采取額外的散熱措施并對(duì)控制設(shè)計(jì)進(jìn)行重新評(píng)估。

選擇能夠準(zhǔn)確測(cè)量高速開(kāi)關(guān)逆變器功率的功率分析儀的標(biāo)準(zhǔn)
逆變器輸出功率特性
為什么有功功率會(huì)出現(xiàn)差異呢？下圖顯示了逆變器輸出有功功率的頻率分布。逆變器的輸出功率包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基頻分量及其諧波（藍(lán)色部分），和逆變器的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波（紅色部分）。由于有功功率從低頻到高頻廣泛分布，因此要準(zhǔn)確測(cè)量逆變器的輸出功率，必須使用可覆蓋寬頻帶的功率分析儀。此外，逆變器輸出功率中的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量的功率因數(shù)較低，因此必須在高頻段準(zhǔn)確捕捉輸出電壓和輸出電流之間的相位差。

相位精度的重要性

要準(zhǔn)確測(cè)量逆變器的輸出功率，特別是準(zhǔn)確測(cè)量開(kāi)關(guān)頻率及其諧波成分至關(guān)重要。然而由于在高頻條件下，功率因數(shù)低（電壓電流相位差90°），測(cè)量?jī)x器需要具備較高的相位精度。相位誤差在在測(cè)量低功率因數(shù)的有功功率時(shí)會(huì)有顯著的影響。例如，在相位為88o，測(cè)量?jī)x器的相位誤差為1o的情況下，轉(zhuǎn)換為有功功率時(shí)的誤差后高達(dá)約50%。我們公司自主開(kāi)發(fā)了高精度電流傳感器，了解每個(gè)傳感器型號(hào)的相位特性，因此可以實(shí)現(xiàn)在寬頻帶范圍內(nèi)的相位補(bǔ)償。例如，在比較100kHz時(shí)的相位誤差時(shí)，A公司的電流傳感器的相位差超過(guò)1.0o，而HIOKI日置的CT6904A的誤差則小于0.01o。

結(jié)論
我們使用高端功率分析儀對(duì)SiC逆變器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量比較。與同類(lèi)功率分析儀相比，在逆變器的輸出功率上出現(xiàn)了明顯差異。因此，能夠準(zhǔn)確測(cè)量高頻開(kāi)關(guān)頻率的PW8001給出的測(cè)量值更加可靠。
逆變器輸出功率中的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量的功率因數(shù)較低，因此選擇頻帶覆蓋范圍寬、相位精度高的功率分析儀和電流傳感器至關(guān)重要。

審核編輯 黃宇