介绍测量逆变器 PWM 功率所需的功率测量系统的规格，重点介绍 PWM 波形的特性，并阐明功率测量系统面临的问题。接下来，为了解决这些问题，引入了新开发的电流传感器的极其卓越的性能以及功率分析仪提供的相移技术。，SiC 逆变器 PWM 功率的实际测量结果将说明这种新型功率测量系统的独特有效性。
PWM 逆变器波形的特性 [2]
逆变器输出功率的主要分量包括基频分量（高达 2 kHz）、谐波分量、开关频率（5 kHz 至 100 kHz）及其谐波分量。其中，基频分量占主导地位。图 1 显示了典型电机驱动系统的逆变器输出的线路电压波形、线路电流波形和相关 FFT 结果。表 1 提供了有关测量目标的详细信息。
查看电压 FFT 结果，可以观察到作为线电压 PWM 波形及其谐波主成分的基波，以及开关频率及其谐波分量。在大约 2 MHz 之前，存在至少 0.1% f.s. 的频谱。
还可以观察到电流波形的基波、其谐波、开关频率及其谐波分量。然而，在 100 kHz 及以上频率下观察到的频谱下降到 0.1% f.s. 以下，并且电流电平随着频率的增加而突然下降。这种现象可以通过考虑作为负载连接到逆变器的电机的等效电路来解释（图 2）。电机的绕组可以被认为是一个 RL 负载，由串联的电阻和电感组成。因此，高频时阻抗增加，使电流更难流动。
同样，如果我们查看 R-L 负载功率的功率因数 （cos θ），当频率较低时，功率因数接近 1，例如，对于基波及其谐波。然而，由于感抗在高频（如开关频率及其谐波）中占主导地位，因此电流表现出滞后相位，从而导致功率因数较低。
图 3 的下半部分提供了 PWM 逆变器输出电压和电流波形的时间轴放大视图，一直到开关频率区域。电压波形是矩形的，而电流波形是三角形的。很明显，它们的相位关系以电流的滞后相位为特征，如上所述，导致功率因数低。
图 4 显示了 PWM 逆变器输出的有功功率的主要成分和特性。
图 1：变频驱动电机的波形和 FFT 结果（使用 Hioki 功率分析仪 PW6001 测量）
测量目标规格
表 1：测量目标规格
图 2：电机等效电路（1 相用）
图 3：逆变器输出波形的放大图
图 4：PWM 逆变器有功功率的主要成分和特性
高精度测量 PWM 逆变器功率所需的性能
本节介绍功率测量仪器必须满足的要求，以便准确测量 PWM 逆变器功率。基于上述特性，这种仪器不仅要能够测量高功率因数基波及其谐波的有功功率，还要能够测量低功率因数开关频率及其谐波分量的有功功率。
图 5 说明了不同功率因数下相位误差和有功功率误差之间的关系。测量电路中的电压和电流相位误差在低功率因数下对有功功率的影响大于高功率因数时。因此，在开关频率及其谐波分量下测量有功功率需要宽频带内的平坦幅度特性和平坦相位特性，后者尤为重要。对于如图 3 所示由矩形波电压和三角波电流组成的功率元件，为了以 0.1% 的精度测量效率，仪器必须表现出平坦幅度和相位特性的频带可能是开关频率的 5 到 7 倍 [3]。
假设 IGBT 逆变器的开关频率为 10 kHz，则以 0.1% 的精度测量整个 PWM 逆变器功率所需的平坦幅度和相位带约为 50 至 70 kHz。另一方面，假设 SiC 逆变器的开关频率为 100 kHz，则平坦幅度和相位要求在 500 至 700 kHz 左右。
功率测量系统面临的问题
评估平坦幅度和相位性能的指标是功率分析仪在零功率因数下的有功工频特性。图 6 显示了通用功率分析仪和 Hioki 功率分析仪 PW6001 在零功率因数下的有功功率频率特性示例。从图 6 中，在通用功率分析仪的示例中，即使被测器件是 IGBT 逆变器，也可以看到分析仪的性能不足以准确测量开关频率及其谐波分量的功率。另一方面，Hioki PW6001 具有高达 1 MHz 的平坦特性，您可以看到 IGBT 和 SiC PWM 逆变器功率都可以测量。因此，零功率因数下的有功工频特性是评估 PWM 逆变器功率测量性能的指标。
接下来，图 7 显示了传统额定电流为 500A（直流至 100 kHz）的直通电流传感器的幅度和相位-频率特性示例。一般来说，由于传感器的磁芯和电路的特性，电流传感器在高频区域的相位误差往往会增加。如前所述，为了准确测量 PWM 功率，在高达开关频率约 5 至 7 倍的频带中需要平坦的幅度和相位特性。在图 7 所示的电流传感器示例中，即使被测器件是 IGBT 逆变器，也可以看到其性能不足以准确测量开关频率及其谐波分量的功率。
图 6：PW6001 功率分析仪在零功率因数下的有功功率频率特性示例
图 7：传统直通电流传感器的幅度和相位频率特性示例
表 2 新开发的电流传感器的主要规格
此外，在带有开关元件的高频开关环境中，共模噪声往往会通过被测器件叠加在电流传感器上。例如，在图 3 下部所示的时间轴上放大的电流波形中，与电压开关时序同步的高频噪声叠加在电流波形上。
在测量 PWM 逆变器功率时，这些电流传感器的频率特性和共模噪声的影响是导致功率因数低的开关频率及其谐波成分的有功功率测量精度下降的主要因素。因此，在结合了传统电流传感器和功率分析仪的 PWM 逆变器功率测量系统中，开关频率及其谐波分量的测量精度的影响远大于基波及其谐波分量的测量误差的影响。因此，我们需要解决无法准确测量 PWM 逆变器功率的问题。
图 8 使用磁通门元件的零磁通量方式的工作原理
新开发的电流传感器和相移技术
为了解决这个问题，Hioki 开发了三种类型的 AC/DC 电流传感器，额定电流分别为 500A、1000A 和 2000A（表 2）。所有传感器都使用零磁通量方法和磁通门元件。图 8 显示了工作原理。通过向反馈绕组（闭环）提供反馈电流来执行高精度测量，以便磁芯中产生的磁通量被流经被测导体的交流电抵消。采用新开发的对置分体线圈（分体绕组在磁芯上相对排列以扩大电流检测范围的线圈）作为传感器，实现了宽频带。此外，外壳内部还形成了屏蔽层，以提高 CMRR（共模抑制比）。
图 9：新开发的 Hioki CT6875 的振幅和相位频率特性示例
基于上述技术，新开发的传感器具有以下显著特点：
超过 1MHz 的宽测量带宽
卓越的线性度，即使在低电平也能保持高精度
宽带宽下具有高 CMRR，几乎不受共模噪声的影响
出色的温度特性，有助于实现高长期稳定性
图 9 显示了额定电流为 500A 的 Hioki CT6875 AC/DC 电流传感器的频率特性示例。频率特性示例的相位表示使用 Hioki 功率分析仪 PW6001 上提供的电流传感器相移功能 [2] 时的特性，以及 CT6875 的个别特性。使用相移功能时，我们预先在 PW6001 中设置了电流传感器特有的相位特性值。因此，PW6001 在根据设定值计算相移的同时实时测量功率。通过将新开发的电流传感器与 PW6001 内置的电流传感器相移功能相结合，作为功率测量系统的一部分，可以改善每个阶段高频范围内的相位特性。
图 10 显示了 CT6875 的 CMRR 特性示例。CMRR 通过传感器外壳内的屏蔽层得到显著改善。这可以防止高频共模噪声叠加在电流波形上。
图 10：CT6875 的 CMRR 频率特性
通过这些电流传感器的性能改进，可以通过将它们与 PW6001 配对来准确测量 PWM 逆变器功率。
PWM 逆变器功率的实际测量结果比较
使用上表 1 所示的 SiC 逆变器，我们测量并比较了使用 PW6001 与三个新开发的电流传感器和一个传统直通电流传感器组合测量的 PWM 功率。电机的转速和负载转矩是恒定的，逆变器开关频率是在 10kHz 至 200kHz 的每个工作条件下测量的。这
图 11：测量 PWM 逆变器功率时的传感器比较
图 12：PWM 逆变器功率的基波分量的传感器比较
图 13：PWM 逆变器输出的电流波形比较
新开发的电流传感器在 PW6001 的相移设置下正常工作。
功率测量结果如图 11 所示。新传感器在任何开关频率下，所有三种型号的测量结果几乎相同。另一方面，对于传统的直通电流传感器，随着开关频率的提高，测量值与使用新传感器获得的测量值之间的差异会变大。
另一方面，图 12 显示了相同条件下基波功率测量值的比较。在任何开关频率下，所有型号的基本功率测量值几乎相同。
此外，图 13 显示了新开发的 CT6875 与传统直通电流传感器在 100 kHz 开关频率工作条件下 PWM 逆变器输出的电流波形的比较。尽管测量的是相同的物体，但 CT6875 以低噪声实现了目标。CMRR 特性的显著改善是由于传感器外壳内的屏蔽层。
从这些结果可以推断出，图 11 所示的三个新开发的电流传感器的有功功率测量值与传统传感器获得的有功功率测量值之间的显著偏差归因于开关频率及其谐波分量（幅度特性、相位特性、 CMRR 特性）。
