使用功率分析仪测量和分析电抗器（电感器）的方法

高频电抗器用于电动汽车 (EV) 和混合动力汽车 (HEV) 的各种位置。例如，电池和逆变器之间的升压 DC/DC 转换器以及电池充电电路中的 AC/DC 转换器。为了提高整个系统的效率，必须提高每个组成电路的效率，而电抗器是造成这些电路大量损耗的元件之一。因此，准确测量电抗器损耗是提高整个系统效率的一项重要任务。一般来说，由于这些电抗器中的大多数都是以高频开启和关闭的，因此传统观点认为很难直接测量电抗器损耗。过去，IGBT 等元件被用作开关元件，开关频率约为数十千赫兹。近年来，SiC 和 GaN 元件的商业化进展使得开关频率超过 100 kHz 成为可能，刺激了对高频带测量仪器的需求。本文结合实际测量示例，介绍了一种高精度测量电抗器损耗的方法。

反应堆损失

图 1 示出了电抗器的等效电路，可以将其视为电感元件 Ls 与电阻 Rs 串联的电路，代表损耗。

图 1：电抗器的等效电路

等效电路的 Ls 和 Rs 可以用标准的 LCR 表测量。在这种情况下，LCR 表会将微小的正弦波信号施加到测量目标并测量阻抗。相比之下，工作电路中的电抗器的特性将与使用 LCR 表进行的测量不同，原因如下：

开关动作后，将对元件施加矩形波电压，流过三角波电流，因此电压波形和电流波形都不会是正弦波。

由于元件磁芯的特性，各参数会表现出电平依赖性。这种依赖性会导致元件工作时的Ls、Rs等量与用LCR表测量得到的值不同。

DC/DC转换器使用过程中，流过电抗器的电流会出现直流叠加，叠加时的参数会因磁芯的饱和特性而有所不同。

总之，对电抗器损耗和参数的高精度测量不是必须用LCR表来测量，而是必须在元件处于运行状态时进行。

电抗器损耗的测量方法

图 2 给出了以升压斩波电路为例测量电抗器损耗时的测量框图。本例中使用功率分析仪 PW6001 和电流传感器进行测量，仪器直接测量施加到电抗器上的电压 UL 和电流 IL，然后计算损耗。在此设置中测量的功率包括绕组和铁芯中消耗的功率总和。简而言之，正在测量电抗器的总损耗。

为提高测量精度，应尽量缩短电流布线路径和电压电缆与功率分析仪的连接距离。此外，还需要考虑电抗器附近的金属和磁性物体的影响。电线等附近的金属物体可能会影响电抗器的运行，因此需要特别注意。此外，由于测量可能会受到电压电缆周边噪声的影响，因此在测量前将电缆绞合好。

图 2：升压斩波电路中电抗器损耗的测量

单独测量铁心的损耗（铁心损耗）时，如图3所示，将二次接线绕在铁心上后测量电抗器电压。

图3：磁芯损耗的测量

由于磁芯损耗定义为BH环路的面积，因此单位体积的磁芯损耗Pc可按下式计算，其中T表示一个BH环路周期的持续时间：

large P_c = frac{1}{T}int HdB = frac {1}{T}int _0 ^THfrac{dB}{dt}dt

设铁心的磁路长度为l，磁芯的截面积为A，则绕组电流i与磁场H、二次绕组电压v与磁通密度B的关系为：

large H = frac{N_li}{l}

large frac{dB}{dt}=frac{v}{N_2A}

因此，单位体积的磁芯损耗可按下式计算，其中 P 表示根据初级绕组电流 i 和次级绕组电压 v 计算出的功率。

large P_c = frac{1}{lA}cdot frac{N_1}{N_2}cdot frac{1}{T}int_0^T vcdot idt

large = frac{1}{lA}cdot frac{N_1}{N_2}cdot P

此外，由于磁芯的体积由lA给出，因此磁芯的总磁芯损耗PcALL可按如下方式计算：

large P_{cALL} = P_c cdot lA = frac{N_1}{N_2}P

因此，通过采用图3所示的装置进行测量，可以测量实际工作条件下的铁损。

此外，功率分析仪PW6001可将以5MSa/s采样的16位电压和电流波形数据保存为CSV文件，并将数据传输到MATLAB*，从而使该仪器能够生成比使用标准波形记录器所能获得的更高精度的波形数据。该数据还可用于分析目的，例如绘制BH环路。

*MATLAB 是 Mathworks Inc. 的注册商标。

为何反应堆损失测量如此困难？

电感是决定电抗器阻抗的主要成分。从功率测量的角度来看，测量的特点是功率因数低。简而言之，电压和电流之间的相位差接近 90°。如图 4 所示，仪器的电压和电流测量单元之间的相位误差对测量值的影响比在高功率因数下进行测量时更大。因此，测量单元必须具有较高的相位精度。

图4：相位误差与功率测量误差的关系

另外，电抗器的开关频率从几十千赫到几百千赫不等。如上所述，随着SiC和GaN元件的商用化，开关频率有不断上升的趋势，在如此高的频率下，需要使用相位精度高的测量仪器。另外，在使用电流传感器时，需要考虑电流传感器的相位误差。

此外，在图2所示的测量类型中，较大的共模电压将施加到电压和电流测量单元。因此，必须使用具有高共模抑制比（CMRR）的仪器。

如上所述，测量元件以几十千赫兹至几百千赫兹的频率进行切换，测量环境的噪声非常大。因此，需要使用具有高抗噪声能力的仪器。

因此，传统观点认为，测量电抗器损耗是一项困难的过程，因为它需要一台在许多领域都表现出高性能的仪器。使用功率分析仪 PW6001 可以满足这些要求，它具有以下功能：

采用电流传感器移相功能，具有宽频带、高精度的相位特性 
高 CMRR（100 kHz 时为 80 dB 或更高）
采用专用电流传感器，具有较高的抗噪性 
电抗器损耗测量所需的仪器特性

图 5 示出了施加到如图 2 所示电路中的电抗器的电压和电流波形。电压波形为矩形波，而电流波形为叠加了直流分量的三角波。要用这样的波形测量精度为 0.1% 的损耗，需要大约 5 至 7 倍开关频率的频带[4]。例如，当开关频率为 100 kHz 时，测量需要提供 500 kHz 至 700 kHz 的频带。

图5：升压斩波电路中的电抗器电压和电流波形

需要注意的是，不仅幅度（增益）需要高精度测量能力，电压和电流之间的相位差也需要高精度测量能力。要测量超过几安培的高频电流，必须使用电流传感器[2]。由于电流传感器的相位误差在高频下无法忽略，因此必须采用某种校正方法。大多数其他制造商的功率分析仪和示波器使用去偏移功能执行此校正。根据电流传感器的特性，该方法需要对每个测量频率使用不同的延迟时间。因此，在测量具有宽带频率成分的失真波形（例如三角波形）时，会导致更大的误差。通过使用带有高精度电流传感器的功率分析仪 PW6001 以及仪器的相移功能，并将电流传感器的相位误差在一个点输入 PW6001，可以在宽频带上进行低相位误差的测量。

使用功率分析仪测量反应堆的示例

本节介绍使用功率分析仪 PW6001 和电流箱 PW9100 测量电抗器的示例。图 6 为测量电路图，表 1 列出了被测电抗器的规格。测量是在使用功率放大器（4055，NF 公司）施加正弦信号的同时进行的。

图 6：测量框图

反应器规格

表1 反应器规格

功率分析仪用于测量 RMS 电压和电流值以及相位误差和功率等参数。PW6001 允许操作员将这些基本测量值组合成可实时执行的用户定义计算形式。可以通过设置表 2 中列出的用户定义计算来测量电抗器参数。

表 2 配置用户定义的计算

图7表示以10kHz的频率改变施加在电抗器上的电流时，电感LS和电阻RS的变化，图8表示以0.5A的交流电流有效值固定，以100kHz的频率改变直流偏置电流时，电感LS和电阻RS的变化。通常，LCR测量仪只能测量几十毫安的电流。另外，LCR测量仪的直流偏置单元能够产生的直流偏置电流的范围是有限的。由于这些限制，测量的参数与表征实际工作状态的值不同。如本例所示，可以将功率分析仪和电源组合起来，以接近实际工作状态的电流水平来测量电抗器。

图 7：测量示例，说明电感和电阻的电平依赖性（f = 10 kHz）

本例说明如何使用电源施加正弦波电流和电压。如上所述，通常向运行中的电抗器施加的是矩形波电压和三角波电流，而不是正弦波信号。功率分析仪允许在这种情况下直接测量电抗器。此外，可以根据仪器执行的谐波计算结果计算出 LS 和 RS 等参数。这些仪器特性使更准确的分析成为可能。

图8：电感与电阻的直流叠加特性测量示例（f = 100 kHz）

结论

本文结合实际测量实例，介绍了高频电抗器损耗的测量和分析方法。为了准确测量高频电抗器的损耗等参数，必须在接近实际运行条件的条件下进行测量。此外，本文还介绍了进行此类测量所需的功率分析仪的高性能水平。，本文提供了一个使用 PW6001 功率分析仪测量和分析电抗器损耗的实例。