介紹測量逆變器 PWM 功率所需的功率測量系統(tǒng)的規(guī)格，重點介紹 PWM 波形的特性，并闡明功率測量系統(tǒng)面臨的問題。接下來，為了解決這些問題，引入了新開發(fā)的電流傳感器的極其卓越的性能以及功率分析儀提供的相移技術。，SiC 逆變器 PWM 功率的實際測量結果將說明這種新型功率測量系統(tǒng)的獨特有效性。
　　PWM 逆變器波形的特性 [2]
　　逆變器輸出功率的主要分量包括基頻分量（高達 2 kHz）、諧波分量、開關頻率（5 kHz 至 100 kHz）及其諧波分量。其中，基頻分量占主導地位。圖 1 顯示了典型電機驅動系統(tǒng)的逆變器輸出的線路電壓波形、線路電流波形和相關 FFT 結果。表 1 提供了有關測量目標的詳細信息。
　　查看電壓 FFT 結果，可以觀察到作為線電壓 PWM 波形及其諧波主成分的基波，以及開關頻率及其諧波分量。在大約 2 MHz 之前，存在至少 0.1% f.s. 的頻譜。
　　還可以觀察到電流波形的基波、其諧波、開關頻率及其諧波分量。然而，在 100 kHz 及以上頻率下觀察到的頻譜下降到 0.1% f.s. 以下，并且電流電平隨著頻率的增加而突然下降。這種現(xiàn)象可以通過考慮作為負載連接到逆變器的電機的等效電路來解釋（圖 2）。電機的繞組可以被認為是一個 RL 負載，由串聯(lián)的電阻和電感組成。因此，高頻時阻抗增加，使電流更難流動。
　　同樣，如果我們查看 R-L 負載功率的功率因數(shù) （cos θ），當頻率較低時，功率因數(shù)接近 1，例如，對于基波及其諧波。然而，由于感抗在高頻（如開關頻率及其諧波）中占主導地位，因此電流表現(xiàn)出滯后相位，從而導致功率因數(shù)較低。
　　圖 3 的下半部分提供了 PWM 逆變器輸出電壓和電流波形的時間軸放大視圖，一直到開關頻率區(qū)域。電壓波形是矩形的，而電流波形是三角形的。很明顯，它們的相位關系以電流的滯后相位為特征，如上所述，導致功率因數(shù)低。

　　圖 4 顯示了 PWM 逆變器輸出的有功功率的主要成分和特性。

　　圖 1：變頻驅動電機的波形和 FFT 結果（使用 Hioki 功率分析儀 PW6001 測量）

　　測量目標規(guī)格

　　表 1：測量目標規(guī)格

　　圖 2：電機等效電路（1 相用）

　

　　圖 3：逆變器輸出波形的放大圖

　　

　　圖 4：PWM 逆變器有功功率的主要成分和特性
　　高精度測量 PWM 逆變器功率所需的性能

　　本節(jié)介紹功率測量儀器必須滿足的要求，以便準確測量 PWM 逆變器功率。基于上述特性，這種儀器不僅要能夠測量高功率因數(shù)基波及其諧波的有功功率，還要能夠測量低功率因數(shù)開關頻率及其諧波分量的有功功率。

　　圖 5 說明了不同功率因數(shù)下相位誤差和有功功率誤差之間的關系。測量電路中的電壓和電流相位誤差在低功率因數(shù)下對有功功率的影響大于高功率因數(shù)時。因此，在開關頻率及其諧波分量下測量有功功率需要寬頻帶內(nèi)的平坦幅度特性和平坦相位特性，后者尤為重要。對于如圖 3 所示由矩形波電壓和三角波電流組成的功率元件，為了以 0.1% 的精度測量效率，儀器必須表現(xiàn)出平坦幅度和相位特性的頻帶可能是開關頻率的 5 到 7 倍 [3]。
　　假設 IGBT 逆變器的開關頻率為 10 kHz，則以 0.1% 的精度測量整個 PWM 逆變器功率所需的平坦幅度和相位帶約為 50 至 70 kHz。另一方面，假設 SiC 逆變器的開關頻率為 100 kHz，則平坦幅度和相位要求在 500 至 700 kHz 左右。
　　功率測量系統(tǒng)面臨的問題
　　評估平坦幅度和相位性能的指標是功率分析儀在零功率因數(shù)下的有功工頻特性。圖 6 顯示了通用功率分析儀和 Hioki 功率分析儀 PW6001 在零功率因數(shù)下的有功功率頻率特性示例。從圖 6 中，在通用功率分析儀的示例中，即使被測器件是 IGBT 逆變器，也可以看到分析儀的性能不足以準確測量開關頻率及其諧波分量的功率。另一方面，Hioki PW6001 具有高達 1 MHz 的平坦特性，您可以看到 IGBT 和 SiC PWM 逆變器功率都可以測量。因此，零功率因數(shù)下的有功工頻特性是評估 PWM 逆變器功率測量性能的指標。
　　接下來，圖 7 顯示了傳統(tǒng)額定電流為 500A（直流至 100 kHz）的直通電流傳感器的幅度和相位-頻率特性示例。一般來說，由于傳感器的磁芯和電路的特性，電流傳感器在高頻區(qū)域的相位誤差往往會增加。如前所述，為了準確測量 PWM 功率，在高達開關頻率約 5 至 7 倍的頻帶中需要平坦的幅度和相位特性。在圖 7 所示的電流傳感器示例中，即使被測器件是 IGBT 逆變器，也可以看到其性能不足以準確測量開關頻率及其諧波分量的功率。

　

　　圖 6：PW6001 功率分析儀在零功率因數(shù)下的有功功率頻率特性示例

　

　　圖 7：傳統(tǒng)直通電流傳感器的幅度和相位頻率特性示例

　　表 2 新開發(fā)的電流傳感器的主要規(guī)格
　　此外，在帶有開關元件的高頻開關環(huán)境中，共模噪聲往往會通過被測器件疊加在電流傳感器上。例如，在圖 3 下部所示的時間軸上放大的電流波形中，與電壓開關時序同步的高頻噪聲疊加在電流波形上。
　　在測量 PWM 逆變器功率時，這些電流傳感器的頻率特性和共模噪聲的影響是導致功率因數(shù)低的開關頻率及其諧波成分的有功功率測量精度下降的主要因素。因此，在結合了傳統(tǒng)電流傳感器和功率分析儀的 PWM 逆變器功率測量系統(tǒng)中，開關頻率及其諧波分量的測量精度的影響遠大于基波及其諧波分量的測量誤差的影響。因此，我們需要解決無法準確測量 PWM 逆變器功率的問題。

　

　　圖 8 使用磁通門元件的零磁通量方式的工作原理
　　新開發(fā)的電流傳感器和相移技術
　　為了解決這個問題，Hioki 開發(fā)了三種類型的 AC/DC 電流傳感器，額定電流分別為 500A、1000A 和 2000A（表 2）。所有傳感器都使用零磁通量方法和磁通門元件。圖 8 顯示了工作原理。通過向反饋繞組（閉環(huán)）提供反饋電流來執(zhí)行高精度測量，以便磁芯中產(chǎn)生的磁通量被流經(jīng)被測導體的交流電抵消。采用新開發(fā)的對置分體線圈（分體繞組在磁芯上相對排列以擴大電流檢測范圍的線圈）作為傳感器，實現(xiàn)了寬頻帶。此外，外殼內(nèi)部還形成了屏蔽層，以提高 CMRR（共模抑制比）。

　

　　圖 9：新開發(fā)的 Hioki CT6875 的振幅和相位頻率特性示例
　　基于上述技術，新開發(fā)的傳感器具有以下顯著特點：
　　超過 1MHz 的寬測量帶寬
　　卓越的線性度，即使在低電平也能保持高精度
　　寬帶寬下具有高 CMRR，幾乎不受共模噪聲的影響
　　出色的溫度特性，有助于實現(xiàn)高長期穩(wěn)定性
　　圖 9 顯示了額定電流為 500A 的 Hioki CT6875 AC/DC 電流傳感器的頻率特性示例。頻率特性示例的相位表示使用 Hioki 功率分析儀 PW6001 上提供的電流傳感器相移功能 [2] 時的特性，以及 CT6875 的個別特性。使用相移功能時，我們預先在 PW6001 中設置了電流傳感器特有的相位特性值。因此，PW6001 在根據(jù)設定值計算相移的同時實時測量功率。通過將新開發(fā)的電流傳感器與 PW6001 內(nèi)置的電流傳感器相移功能相結合，作為功率測量系統(tǒng)的一部分，可以改善每個階段高頻范圍內(nèi)的相位特性。
　　圖 10 顯示了 CT6875 的 CMRR 特性示例。CMRR 通過傳感器外殼內(nèi)的屏蔽層得到顯著改善。這可以防止高頻共模噪聲疊加在電流波形上。

　

　　圖 10：CT6875 的 CMRR 頻率特性
　　通過這些電流傳感器的性能改進，可以通過將它們與 PW6001 配對來準確測量 PWM 逆變器功率。
　　PWM 逆變器功率的實際測量結果比較
　　使用上表 1 所示的 SiC 逆變器，我們測量并比較了使用 PW6001 與三個新開發(fā)的電流傳感器和一個傳統(tǒng)直通電流傳感器組合測量的 PWM 功率。電機的轉速和負載轉矩是恒定的，逆變器開關頻率是在 10kHz 至 200kHz 的每個工作條件下測量的。這

　

　　圖 11：測量 PWM 逆變器功率時的傳感器比較

　

　　圖 12：PWM 逆變器功率的基波分量的傳感器比較

　

　　圖 13：PWM 逆變器輸出的電流波形比較
　　新開發(fā)的電流傳感器在 PW6001 的相移設置下正常工作。
　　功率測量結果如圖 11 所示。新傳感器在任何開關頻率下，所有三種型號的測量結果幾乎相同。另一方面，對于傳統(tǒng)的直通電流傳感器，隨著開關頻率的提高，測量值與使用新傳感器獲得的測量值之間的差異會變大。
　　另一方面，圖 12 顯示了相同條件下基波功率測量值的比較。在任何開關頻率下，所有型號的基本功率測量值幾乎相同。
　　此外，圖 13 顯示了新開發(fā)的 CT6875 與傳統(tǒng)直通電流傳感器在 100 kHz 開關頻率工作條件下 PWM 逆變器輸出的電流波形的比較。盡管測量的是相同的物體，但 CT6875 以低噪聲實現(xiàn)了目標。CMRR 特性的顯著改善是由于傳感器外殼內(nèi)的屏蔽層。
　　從這些結果可以推斷出，圖 11 所示的三個新開發(fā)的電流傳感器的有功功率測量值與傳統(tǒng)傳感器獲得的有功功率測量值之間的顯著偏差歸因于開關頻率及其諧波分量（幅度特性、相位特性、 CMRR 特性）。