近年來，采用可實現(xiàn)高速開關(guān)功率半導(dǎo)體Sic及GaN的高效逆變器研發(fā)不斷推進。通過采用這些功率半導(dǎo)體，可實現(xiàn)逆變器 開關(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的整體效率，實現(xiàn)小型輕量化。然而，隨著開關(guān)速度的加快，則需要在比以往更寬的頻帶中進行高精度功率測量，因此選擇合適的機型是十分重要的。本應(yīng)用手冊將使用功率分析儀PW8001和A公司的高端功率分析儀對SiC逆變器效率進行實際測量，并介紹比較結(jié)果。

逆變器輸出功率測量誤差的影響
為實現(xiàn)逆變器和電機的小型輕量化、高效化，開關(guān)頻率的高速化正在不斷推進。然而，隨著開關(guān)頻率的高速化，準(zhǔn)確測量逆變器的輸出功率變得愈加困難。例如，在汽車逆變器開發(fā)中，為了降低油耗和縮短充電時間，會以10W為單位進行熱管理。通過準(zhǔn)確測量逆變器損耗和電機損耗，可以實現(xiàn)最優(yōu)的熱管理設(shè)計。然而，如果測量誤差大，錯誤認為損耗比實際大，則會導(dǎo)致過度熱管，難以實現(xiàn)小型輕量化。因此，準(zhǔn)確地測量逆變器的輸出功率至關(guān)重要。

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

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

下圖展示了在開關(guān)頻率為100kHz條件下，逆變器效率、電機效率以及綜合效率的比較結(jié)果。通過觀察實際測量值可以發(fā)現(xiàn)，逆變器輸入的DC功率以及通過扭矩計和編碼器計算得出的電機功率之間沒有明顯差異。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，PW8001的測量結(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。如果誤讀這些測量值，則需要采取額外的散熱措施并對控制設(shè)計進行重新評估。

選擇能夠準(zhǔn)確測量高速開關(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)動電機的基頻分量及其諧波（藍色部分），和逆變器的開關(guān)頻率及其諧波（紅色部分）。由于有功功率從低頻到高頻廣泛分布，因此要準(zhǔn)確測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)確測量逆變器的輸出功率，特別是準(zhǔn)確測量開關(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°），測量儀器需要具備較高的相位精度。相位誤差在在測量低功率因數(shù)的有功功率時會有顯著的影響。例如，在相位為88o，測量儀器的相位誤差為1o的情況下，轉(zhuǎn)換為有功功率時的誤差后高達約50%。我們公司自主開發(fā)了高精度電流傳感器，了解每個傳感器型號的相位特性，因此可以實現(xiàn)在寬頻帶范圍內(nèi)的相位補償。例如，在比較100kHz時的相位誤差時，A公司的電流傳感器的相位差超過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SiC逆變器進行了實際測量比較。與同類功率分析儀相比，在逆變器的輸出功率上出現(xiàn)了明顯差異。因此，能夠準(zhǔn)確測量高頻開關(guān)頻率的PW8001給出的測量值更加可靠。
逆變器輸出功率中的開關(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