你是否曾在基于碳化硅 (SiC) 的逆變器上測得超過100%的效率，并認(rèn)為自己發(fā)現(xiàn)了一種通過逆變器創(chuàng)造能量的方法?更可能的情況是，由于電壓和電流之間的相位差測量誤差導(dǎo)致的電力測量不正確。如果你的電力測量系統(tǒng)無法可靠地測量高頻應(yīng)用，這種情況是很常見的。

圖1

當(dāng)然，你的功率分析儀仍然足夠好，可以評估開關(guān)頻率高達(dá)10kHz的逆變器效率，因為在這個頻率水平上，相位誤差的影響較小。然而，對于基于SiC的應(yīng)用，開關(guān)頻率高達(dá)100kHz時，以及基于氮化鎵 (GaN) 的應(yīng)用頻率超過1MHz時，這些功率分析儀將無法提供準(zhǔn)確和可重復(fù)的結(jié)果。

　　傳統(tǒng)的功率分析儀使用內(nèi)部測量分流器來測量電流，但在高頻下不適合，因為分流器的感應(yīng)特性會在這些高頻下影響幅度和相位的準(zhǔn)確性。當(dāng)需要測量更高的電流并需要外部零磁通電流傳感器時，這種情況更加明顯。這些傳感器本身可能具有足夠的準(zhǔn)確性，但這些電流傳感器通常由與功率分析儀不同的制造商生產(chǎn)，因此它們之間并未優(yōu)化。

　　為SiC和GaN設(shè)計的新測量方法

　　HIOKI的解決方案將HIOKI功率分析儀與外部HIOKI零磁通電流傳感器結(jié)合在一起，專為高頻功率測量優(yōu)化設(shè)計的獨特功能。其中最重要的功能是相位移動補(bǔ)償功能，以減少相位誤差的影響。

　　為了使相位移動補(bǔ)償功能正常工作，你需要兩件事情：

　　功率分析儀進(jìn)行正確的相位調(diào)整

　　具有已知相位移動的電流傳感器

　　解釋功率分析儀中的補(bǔ)償功能的一個好方法是將其與示波器的“deskew”功能進(jìn)行比較：如果由于延遲的原因，兩個不同的信號在不同時間到達(dá)示波器，那么“deskew”功能可以通過固定的時間值補(bǔ)償延遲來對齊這些信號。

　　相位移動補(bǔ)償基本上是相同的，因為相位誤差直接與電流傳感器的時間延遲有關(guān)。例如，對于HIOKI CT68xxA系列電流傳感器，這種延遲的表現(xiàn)如下。時間延遲以納秒為單位顯示在頻率上：

圖2

　　100Hz下的100納秒延遲與1MHz下的100納秒延遲的影響不一樣。這在將上述時間延遲轉(zhuǎn)化為以度為單位描述的相位延遲值時變得很明顯：

圖3

　　要解決這個相位延遲問題，你需要一個在任何頻率下時間延遲相同的電流傳感器。這就是HIOKI電流傳感器的情況，這些傳感器還會自動將相位延遲值傳遞給功率分析儀。回到“deskew”功能，你只需將電流傳感器連接到PW8001功率分析儀，功率分析儀會自動補(bǔ)償相位誤差。

　　這是HIOKI傳感器獨特的一個特性——但這并不是市場上所有電流傳感器的標(biāo)準(zhǔn)特性。以下是典型電流傳感器會發(fā)生的情況：

圖4

　　頻率不同的時間延遲值傳感器將使功率分析儀中的相位移動補(bǔ)償幾乎不可能實現(xiàn)。因為你用哪個值作為你的“deskew”參數(shù)呢?

　　另一個使HIOKI電流傳感器獨特的特性是導(dǎo)線芯的位置不會影響相位延遲：

圖5

　　你只能在圖表中看到一條線，因為五個測量位置的相位延遲曲線是相同的，這不留下任何誤差的空間。再次強(qiáng)調(diào)，這不是電流傳感器的標(biāo)準(zhǔn)特性。通常，傳感器內(nèi)導(dǎo)線芯的位置會影響相位誤差，如下圖所示：

圖6

　　適用于高達(dá)5kV的應(yīng)用

　　如果你正在處理高頻和高電壓應(yīng)用，有一種解決方案可以進(jìn)一步覆蓋這一領(lǐng)域：高精度高壓分壓器。精確測量高達(dá)5kV的功率能力相比現(xiàn)有的使用差分探頭的解決方案在準(zhǔn)確性上取得了顯著進(jìn)步。這對于涉及SiC和GaN半導(dǎo)體的高電壓和高頻應(yīng)用特別有利，因為其4MHz的帶寬和已知的相位誤差，使得在功率分析儀中補(bǔ)償相位誤差成為可能。

　　有效測量的關(guān)鍵

　　測量結(jié)果的可重復(fù)性對于得出結(jié)論至關(guān)重要。HIOKI日本總部的工程師們使用PW8001功率分析儀結(jié)合50A AC/DC傳感器CT6872測量了基于SiC的逆變器的效率，測量時間為30秒。SiC半導(dǎo)體的開關(guān)頻率為50kHz，電機(jī)的恒定速度為1000rpm。測量的積分時間設(shè)為200ms，本實驗中電機(jī)電流約為2A。下圖顯示了測量的出色穩(wěn)定性：

圖7

　　在30秒內(nèi)最大和最小結(jié)果之間的差異小于0.2%。這項實驗表明，即使在低電流下，這個設(shè)置也能提供出色的可重復(fù)性，這是開發(fā)階段的關(guān)鍵，因為它可以識別由于設(shè)計變化而帶來的微小效率提升。然而，只有通過有效的相位移動補(bǔ)償才能實現(xiàn)如此精確的結(jié)果。

　　在相同測試條件下，測試了兩個知名電力測量系統(tǒng)供應(yīng)商的產(chǎn)品。結(jié)果如圖8所示：

圖8

　　在這種情況下，測量的可重復(fù)性要差得多。兩個系統(tǒng)的最大效率和最小效率之間的差值都超過了1%。這使得工程師很難得出設(shè)計變化是否產(chǎn)生了影響的結(jié)論。例如，即使你測量到效率提高了0.9%，這也可能是由于測量可重復(fù)性差所致，而你可能根本沒有實現(xiàn)效率的提高。

　　一體化測量系統(tǒng)

　　為了實現(xiàn)有效的相位移動補(bǔ)償，需要擁有相位移動補(bǔ)償功能的功率分析儀和在高頻下具有穩(wěn)定且已知時間延遲特性的電流傳感器。PW8001功率分析儀甚至具有自動相位移動補(bǔ)償功能，使其能夠自動識別電流傳感器，并使用傳感器提供的數(shù)據(jù)相應(yīng)地調(diào)整相位補(bǔ)償。

圖9

浮思特科技專注功率器件領(lǐng)域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及MCU和觸控芯片，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。