產品應用・用途
Application使用高階功率計進行SiC變頻器的實測比較
前言
近年來，可進行高速開關的功率半導體SiC、GaN的高效能變頻器開發技術日漸成熟。透過使用這些功率半導體可實現加快變頻器的開關切換速度，以及平滑化用線圈和電容器等零件小型化；因開關損耗的降低，散熱器等其他散熱零件也得以縮小。
就整體而言，上述這些零部件的小型化可以實現變頻器或馬達的高效化與輕量化。但是，伴隨著這些技術的進步、開關頻率的高速化，在測量上就需要比以往更加寬頻與高精度的功率測量儀器。因此本應用案例主要介紹HIOKI開發的功率計(電力計)PW8001與A公司的高階功率計進行實測比較，並分析其結果。
變頻器輸出功率對測量誤差之影響
為實現變頻器與馬達的小型輕量化與高效化，開關頻率日漸提升。隨著開關頻率的高速化，變頻器輸出功率的測量變得更加困難。
舉例來說：汽車的變頻器開發中，為了節省燃費與縮短充電時間，會以10W為單位進行熱管理。為此必須正確判斷馬達與變頻器的損耗，才能制定出最適合的熱管理方案。
但是，若使用頻寬不足的儀器進行測量，會導致測量誤差變大，造成高估損耗，而制定過高規格的熱管理方案，最終導致難以實現變頻器小型輕量化。
由以上的說明來看，正確測量變頻器輸出功率是非常重要的事情。
SiC變頻器・馬達的效率實測比較
進行實測SiC變頻器效率的流程圖如下。將測量變頻器的輸入功率（1P2W），變頻器的輸出功率（3P3W2M），以及馬達功率的三個測量點位，同時以兩種功率計進行實測。
並且，因PW8001會搭配AC/DC電流感測器CT6904A進行測量，為保證測量條件相同，使用A公司的功率計時，也將使用A公司的電流感測器進行測量。
變頻器效率、馬達效率、綜合效率的比較
本實驗中將SiC變頻器的開關頻率分別設定為10 kHz、20 kHz、100 kHz、200 kHz等不同頻率，進行變頻器效率、馬達效率的測量。
由變頻器效率的測量結果來看，開關頻率變高之後，兩個儀器的的測量值差異會逐漸增加。此外，馬達效率的比較結果中顯示(參考下方圖表)，不僅僅隨著開關頻率增加導致測量值差異增加，A公司的功率計甚至出現了超過100%效率的數值。
下圖為將開關頻率設為100 kHz的情況下，比較變頻器效率、馬達效率、綜合效率三種項目的結果。
確認實際的測量值後，變頻器輸入的DC功率與從扭矩計、編碼器中計算出的馬達功率並無太大差異。但變頻器輸出的三相功率數值卻有非常大的差異。
我們可以查看下圖所示的變頻器的損耗，可以發現PW8001所測得的結果為0.17kW，而A公司的功率計測量的結果為0.83kW。
如果測量值被過度高估，就有可能需要採取額外的熱管理方案與重新擬定控制設計。
如何選擇可以正確測量高速開關變頻器功率的功率計？
變頻器輸出功率的特徵
為何有效功率會有誤差呢？
下圖顯示了變頻器輸出的有效功率之頻率分布。變頻器輸出的功率包含了驅動馬達的基波成分與諧波（藍色部分），以及變頻器的開關頻率和諧波（紅色部分）。
由此可知，有效功率分布於低頻到高頻的大範圍間，為了正確測量變頻器的輸出功率，我們就需要使用可以測量寬頻的功率計。此外，變頻器的輸出功率中開關頻率與其諧波成分有包含較低的功率因數，所以需要正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
若想要正確測量變頻器的輸出功率，就需要特別精準的測量開關頻率與其諧波成分。然而，在高頻範圍內，功率因數會降低（電壓電流相位差為90º），因此測量儀器需要高相位精度。相位誤差對低功率因數的有效功率的測量會有非常大的影響。舉例來說：當相位為88º、測量儀器的相位誤差為１º時，在換算有效功率時，誤差可能高達50%。
HIOKI的高精度電流感測器為自行開發，能夠控管各感測器的相位特性，實現寬頻帶的相位補償。像是在比較100kHz的相位誤差時，A公司的電流感測器產生了1.0º的相位差，而HIOKI的CT6904A的相位誤差則小於0.1º。
因此可以更精準地進行高頻範圍的測量。
結語
本應用案例使用兩個不同品牌的高階功率計實際測量了SiC變頻器，並進行比較。其中，他牌的功率計所測得的變頻器數據有很明顯的差異，可能會導致後續擬定熱管理方案時高估需求。
就結果來說，若要測量高頻開關頻率時，使用PW8001可以獲得正確的測量數值。
變頻器輸出功率包含了開關頻率與其諧波成分會導致較低的功率因數，因此我們建議選擇具備寬頻帶與高相位精度的的功率計和電流感測器來進行測量。
