隨著能源有效利用的重要性日益增加，SiC 和 GaN 在電力電子設備中的應用正加速推進。在開發使用 SiC 和 GaN 的高效率設備時，功率轉換效率的性能提升需要以 0.1% 的單位進行精確評估。

然而，在比較某變頻器輸出功率時，使用 HIOKI 的電流感測器與 A 公司的電流感測器進行測量，結果顯示隨著開關頻率的提高，測量值的差異逐漸擴大，最大差距超過 10%。

在需要 0.1% 精度的情況下，為什麼會出現如此大的差異？應該信任哪一方的測量結果？
在這個應用案例中，我們將探討實測結果的原因，並介紹在變頻器效率測量中選擇電流感測器時需要注意的要點。

1.課題

變頻器的輸出功率包含驅動馬達的基本頻率成分及其諧波（藍色部分），以及變頻器的開關頻率及其諧波（紅色部分）。基本頻率及其諧波成分屬於數 kHz 程度的低頻率範圍，因此，過去的功率計（電力計）和電流感測器相對容易進行準確測量。  
然而，開關頻率及其諧波成分則屬於數十 kHz 至數 MHz 的高頻範圍，且具有低功率因數，因此需要具備廣頻寬並能高精度測量相位的功率計（電力計）和電流感測器。  
若無法準確測量由開關頻率及其諧波成分構成的高頻功率，可能會導致測量值的波動、效率超過 100%、以及與損耗理論值的顯著偏差等問題。

高頻測量的注意點

馬達的等效迴路

馬達的等效電路由電阻和電感組成。在高頻（數十 kHz 以上）範圍內，電感成分所產生的阻抗占主導地位，導致功率因數較低。因此，需要具備廣頻寬的測量設備，才能準確測量包含變頻器載波頻率在內的功率數據。

低功率因數測量的特徵

在低功率因數測量中，電壓與電流的相位差接近 90°，因此即使是微小的相位偏差也會導致較大的測量誤差。
如果使用相位誤差較大的測量設備，相位可能會超過 90°，這將對功率誤差產生更大的影響。

2. 變頻器輸出功率的測量比較

使用功率計(電力計)高階機型PW8001－作為主機，並搭配具有優秀相位特性的電流感測器CT6904A與A公司電流輸出類型的電流感測器(1000 A額定、～300 kHz頻寬)進行比較。在配線與測量條件皆相同的情況下。確認相位特性的差別會對高頻功率的測量產生何種影響？

變頻器輸出的有效功率頻率分布可分為基波及其諧波成分，以及開關頻率及其諧波成分。所有包含基波的有效功率均作為馬達的能源被消耗，因此理想的測量結果應在解析畫面上顯示為正向成分。
然而，在 20 kHz 以上的高頻範圍內，由於功率因數較低，若使用相位特性較差的電流感測器，原本應作為正向成分顯示的有效功率可能會被顯示為負向成分，從而影響測量結果的準確性。
 

使用功率頻譜解析(PSA)功能將功率損耗可視化

PW8001升級到 Ver.2版本後，可以使用新功能－－功率頻譜解析(PSA)功能。以往的 FFT 分析一般是基於電壓和電流進行，但現在透過新增有效功率作為分析項目，可以將各種頻率成分中的功率分布進行可視化。  
這使得負載的能源消耗與再生情況能夠直觀地辨識。

相關動畫：功率頻譜解析(PSA)功能-新登場

功能介紹：利用功率頻譜解析（PSA）功能探討Inverter馬達的損耗
 

測量比較結果

當開關頻率為 20 kHz 時，可以觀察到有效功率出現了約 40 W（約 2.1%）的差異。我們利用 PSA 功能對此進行解析。使用 HIOKI CT6904A 測量的結果顯示，包含開關頻率及其諧波成分在內的所有有效功率均以正值（消耗功率）呈現。  
相對地，使用 A 公司電流感測器測量的結果中，開關頻率的高頻功率卻被誤測為負值（再生功率）。  
由此可以推斷，HIOKI CT6904A 的測量結果更為可信。這一差異是由於電流感測器的相位特性差異所導致的。

變頻器輸出的有效功率誤差之比較

隨著開關頻率的提高，兩者之間比較的有效功率差異逐漸增大。通常，使用 SiC/GaN 變頻器可提升效率，並藉由提高開關頻率來實現小型化和輕量化。在這樣的開發中，為了準確測量效率，必須注意電流感測器的相位特性差異對結果的顯著影響，因此選擇合適的電流感測器是關鍵。

3. HIOKI提供的解決方案

儘管功率計（電力計）和電流感測器各自單獨在廣頻寬測量中能夠保證足夠的性能，但在組合狀態下也規定了相位誤差。此外，PW8001 還配備了自動相位補償功能，通過進行廣範圍的相位補償，支援在低功率因數下的高精度測量。

HIOKI 的功率計（電力計）和電流感測器非常適合用於使用 SiC/GaN 的高效率變頻器，以及與之配合使用的高效率馬達的效率與損耗測量。

-2025.01

為了正確測量SiC／GaN變頻器效率，必要的電流感測器的特性.pdf (2.27M) file_download