高頻電抗器用于電動汽車 （EV） 和混合動力電動汽車 （HEV） 的各種位置。例如，電池和逆變器之間的升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及電池充電電路中的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器。為了提高整體系統(tǒng)效率，有必要提高每個組成電路的效率，而電抗器是導(dǎo)致這些電路中大量損耗的一個組件。因此，準(zhǔn)確測量反應(yīng)器損失是提高整體系統(tǒng)效率的一項重要任務(wù)。一般來說，由于這些反應(yīng)器中的大多數(shù)都是在高頻下打開和關(guān)閉的，因此傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為很難直接測量反應(yīng)器損失。過去，IGBT 等元件用作開關(guān)元件，開關(guān)頻率約為數(shù)十 kHz。近年來，隨著 SiC 和 GaN 元件的商品化進(jìn)展，開關(guān)頻率超過 100 kHz 成為可能，刺激了對高頻帶測量儀器的需求。本文以實際測量實例為例，介紹了一種高精度測量反應(yīng)器損失的方法。
　　反應(yīng)器損失
　　圖 1 顯示了電抗器的等效電路，可以將其視為電感分量 Ls 與電阻 Rs 串聯(lián)的電路，代表損耗。　　電抗器的等效電路

　　圖 1：電抗器的等效電路
　　等效電路的 Ls 和 Rs 可以使用標(biāo)準(zhǔn) LCR 表進(jìn)行測量。在這種情況下，LCR 表將對測量目標(biāo)施加微小的正弦波信號并測量阻抗。相比之下，工作電路中電抗器的特性與使用 LCR 表進(jìn)行的測量不同，原因如下：
　　作為開關(guān)作的結(jié)果，矩形波電壓將施加到元件上。這將導(dǎo)致三角波電流流動，結(jié)果是電壓波形和電流波形都不會采用正弦波的形式。
　　由于元件磁芯的特性，每個參數(shù)都會表現(xiàn)出電平依賴性。這種依賴性將導(dǎo)致元件運(yùn)行期間的 Ls 和 Rs 等量與使用 LCR 表測量獲得的值不同。
　　在使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時，施加到電抗器的電流會發(fā)生直流疊加。由于磁芯的飽和特性，這種疊加期間的參數(shù)會有所不同。
　　簡而言之，反應(yīng)堆損耗和參數(shù)的高精度測量不能使用 LCR 表進(jìn)行，而必須在組件處于運(yùn)行狀態(tài)時進(jìn)行?！　‰娍蛊鲹p耗的測量方法

　　圖 2 提供了使用升壓斬波電路測量電抗器損耗時的測量框圖。在本例中，使用功率分析儀 PW6001 和電流傳感器進(jìn)行測量，其中儀器直接測量施加到電抗器上的電壓 UL 和電流 IL，然后計算損耗。在此設(shè)置中測得的功率包括繞組和磁芯中消耗的功率總和。簡而言之，正在測量反應(yīng)堆的整體損失。
　　通過保持電流布線和電壓電纜與功率分析儀的連接盡可能短，可以提高這種測量的精度。此外，有必要考慮反應(yīng)器附近金屬和磁性物體的影響。必須小心，因為電線和其他附近的金屬物體可能會影響反應(yīng)器的運(yùn)行。此外，由于測量可能會受到電壓電纜外圍噪聲的影響，因此最好在測量前扭曲電纜。
　　圖 2：升壓斬波器電路中電抗器損耗的測量
　　當(dāng)單獨(dú)測量磁芯的損耗（磁芯損耗）時，如圖 3 所示，在將二次布線纏繞在磁芯上后測量電抗器電壓。　　磁芯損耗的測量

　　圖 3：磁芯損耗的測量
　　由于磁芯損耗定義為 B-H 環(huán)路的面積，因此每單位體積的磁芯損耗 Pc 可以按以下方式計算，其中 T 表示一個 B-H 環(huán)路周期的持續(xù)時間：
　　\large P_c = \frac{1}{T}\int HdB = \frac {1}{T}\int _0 ^T H\frac{dB}{dt}dt
　　如果磁芯的磁通路徑長度為 l，橫截面積為 A，則初級繞組電流 i 與磁場 H 以及次級繞組電壓 v 與磁通密度 B 之間的關(guān)系如下：
　　\large H = \frac{N_li}{l}
　　\large \frac{dB}{dt}=\frac{v}{N_2A}
　　因此，每單位體積的磁芯損耗可以計算如下，其中 P 表示根據(jù)初級繞組電流 i 和次級繞組電壓 v 計算的功率。
　　\large P_c = \frac{1}{lA}\cdot \frac{N_1}{N_2}\cdot \frac{1}{T}\int_0^T v\cdot idt
　　\large = \frac{1}{lA}\cdot \frac{N_1}{N_2}\cdot P
　　此外，由于內(nèi)核的體積由 lA 給出，因此內(nèi)核的整體內(nèi)核損耗 PcALL 可以計算如下：
　　?\large P_{cALL} = P_c \cdot lA = \frac{N_1}{N_2}P
　　因此，通過使用圖 3 所示的設(shè)置進(jìn)行測量，可以測量實際工作條件下的磁芯損耗。
　　此外，功率分析儀 PW6001 可以將采樣率為 5 MSa/s 的 16 位電壓和電流波形數(shù)據(jù)保存為 CSV 文件，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?MATLAB*，從而使儀器能夠生成比標(biāo)準(zhǔn)波形記錄儀更精確的波形數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)還可用于分析目的，例如，呈現(xiàn) B-H 循環(huán)。
　　*MATLAB 是 Mathworks Inc. 的注冊商標(biāo)。
　　為什么很難測量反應(yīng)堆損耗？
　　電感是決定電抗器阻抗的主要因素。從功率測量的角度來看，測量的特點(diǎn)是功率因數(shù)低。簡而言之，電壓和電流之間的相位差接近 90°。如圖 4 所示，儀器的電壓和電流測量單位之間的相位誤差對測量值的影響大于使用高功率因數(shù)進(jìn)行測量時的影響。因此，測量單元必須具有高度的相位精度?！　∠辔徽`差與功率測量誤差之間的關(guān)系

　　圖 4：相位誤差和功率測量誤差之間的關(guān)系
　　此外，電抗器的開關(guān)頻率范圍從幾十千赫茲到幾百千赫茲不等。如上所述，SiC 和 GaN 元件的商品化導(dǎo)致開關(guān)頻率上升的趨勢，因此有必要在如此高的頻率下使用具有高相位精度的測量儀器。此外，在使用電流傳感器時，需要考慮電流傳感器的相位誤差。
　　此外，在圖 2 所示的測量類型中，將對電壓和電流測量單元施加較大的共模電壓。因此，必須使用具有高共模抑制比 （CMRR） 的儀器。
　　如上所述，被測組件以幾十 kHz 到幾百 kHz 的頻率進(jìn)行切換，導(dǎo)致測量環(huán)境具有極大的噪聲特征。因此，必須使用具有高抗噪性的儀器。
　　通過這種方式，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為測量反應(yīng)器損失是一個困難的過程，因為它需要一種在許多領(lǐng)域都表現(xiàn)出高性能的儀器。使用功率分析儀 PW6001 可以滿足這些要求，它提供以下功能：
　　得益于其電流傳感器相移功能，具有寬帶和高精度相位特性 [1]
　　高 CMRR（100 kHz 時為 80 dB 或更高）
　　專用電流傳感器實現(xiàn)高抗噪性 [2][3]　　反應(yīng)器損失測量所需的儀器特性

　　圖 5 顯示了施加到電路中電抗器的電壓和電流波形，如圖 2 所示。電壓波形采用矩形波的形式，而電流波形采用帶有疊加直流分量的三角波的形式。要使用此類波形以 0.1% 的精度測量損耗，需要大約是開關(guān)頻率 5 至 7 倍的頻帶[4]。例如，如果開關(guān)頻率為 100 kHz，則測量需要提供 500 kHz 至 700 kHz 的頻帶。
　　升壓斬波器電路中的電抗器電壓和電流波形
　　圖 5：升壓斬波器電路中的電抗器電壓和電流波形　　需要注意的是，不僅振幅（增益）需要高精度測量能力，而且電壓和電流之間的相位差也需要高精度測量能力。要測量超過幾安培的高頻電流，必須使用電流傳感器[2]。由于電流傳感器的相位誤差在高頻下無法忽略，因此有必要采用某種校正方法。大多數(shù)其他制造商的功率分析儀和示波器都使用 Deskew 功能執(zhí)行此校正。根據(jù)電流傳感器的特性，該方法需要為每個測量頻率使用不同的延遲時間。因此，在測量失真波形（例如在寬帶中具有頻率分量的三角波形）時，它會導(dǎo)致更大的誤差。通過使用帶有高精度電流傳感器的功率分析儀 PW6001 以及儀器的相移功能，并在 PW6001 中僅將電流傳感器的相位誤差輸入到一個點(diǎn)，就可以在寬頻帶內(nèi)進(jìn)行低相位誤差的測量。

　　使用功率分析儀進(jìn)行電抗器測量示例
　　本節(jié)介紹使用功率分析儀 PW6001 和 Current Box PW9100 進(jìn)行電抗器測量的示例。圖 6 提供了測量電路圖，而表 1 列出了被測反應(yīng)器的規(guī)格。在用功率放大器 （4055， NF Corporation） 施加正弦信號的同時進(jìn)行測量?！　y量框圖

　　圖 6：測量框圖　　反應(yīng)器規(guī)格

　　表 1 反應(yīng)器規(guī)格
　　功率分析儀用于測量 RMS 電壓和電流值以及相位誤差和功率等參數(shù)。PW6001 允許作員將這些基本測量值組合成用戶定義的計算形式，這些計算可以實時執(zhí)行?？梢酝ㄟ^設(shè)置表 2 中列出的用戶定義的計算來測量反應(yīng)器參數(shù)?！　∨渲糜脩舳x的計算

　　表 2 配置自定義計算

　　圖 7 說明了當(dāng)施加到電抗器的電流水平以 10 kHz 的頻率變化時，電感 LS 和電阻 RS 的變化，而圖 8 說明了當(dāng)交流電流 RMS 值固定為 0.5 A 且直流偏置電流以 100 kHz 的頻率變化時，電感 LS 和電阻 RS 的變化。通常，LCR 儀表只能測量幾十毫安的電流。此外，LCR 儀表的直流偏置單元可以產(chǎn)生的直流偏置電流范圍是有限的。由于這些限制，測量參數(shù)與表征實際作條件的值不同。如本例所示，功率分析儀和電源可以結(jié)合使用，以接近實際運(yùn)行條件的電流水平測量電抗器。　　說明電感和電阻的電平依賴性的測量示例 （f = 10 kHz）

　　圖 7：說明電感和電阻的電平依賴性的測量示例 （f = 10 kHz）
　　此示例說明了如何使用電源來施加正弦波電流和電壓。如上所述，矩形波電壓和三角波電流通常施加到運(yùn)行中的電抗器，而不是正弦波信號。功率分析儀允許在這種條件下直接測量電抗器。此外，LS 和 RS 等參數(shù)可以根據(jù)儀器執(zhí)行的諧波計算結(jié)果進(jìn)行計算。這些儀器特性使更準(zhǔn)確的分析成為可能?！　≌f明電感和電阻的直流疊加特性的測量示例 （f = 100 kHz）

　　圖 8：電感和電阻的直流疊加特性 （f = 100 kHz） 的測量示例